One Two
Sie sind hier: Startseite Bibliothek Bonner Meteorologische Abhandlungen (BMA) Experimentelle Untersuchung arktischer Grenzschichtfronten an der Meereisgrenze in der Davis-Straße

Experimentelle Untersuchung arktischer Grenzschichtfronten an der Meereisgrenze in der Davis-Straße

BMA Nr.54 (Zusammenfassung)

UK-flag english version

Clemens Drüe:
Experimentelle Untersuchung arktischer Grenzschichtfronten an der Meereisgrenze in der Davis-Straße

Der Randbereich des arktischen Meereises (marginal ice zone, MIZ) ist eine Zone starker Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Meereis und Ozean. Wenn dort die bodennahe Strömung annähernd parallel zum Rand des Meereises verläuft, bildet sich oft in der atmosphärischen Grenzschicht (planetary boundary layer, PBL) entlang der Eisfront eine enge Zone mit starken Horizontalgradienten senkrecht zur Eiskante. Eine solche nennt man auch ''Grenzschichtfront'', engl. ''boundary layer front'' (BLF; Fett, 1989).

Die Kenntnis der Wechselwirkungs- und Antriebsprozesse des Systems Meereis-Ozean-Atmosphäre in der MIZ ist für die Klimaforschung von großem Interesse. Die Fähigkeit, die dort ablaufenden Prozesse richtig zu simulieren, birgt ein deutliches Potential zur Verbesserung von numerischen Klimaprognosen. Besonders über die Situation bei einer bodennahen Luftströmung parallel zur Eiskante ist jedoch wenig bekannt. Aufgabe der vorliegenden Arbeit ist es daher, zu einer Verbesserung des Verständnisses der Strukturen und Prozesse innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht in einer solchen Situation bzw. beim Auftreten von BLFs beizutragen. Die Hauptziele der Arbeit sind deshalb die Untersuchung der dreidimensionalen Struktur von Grenzschichtfronten an der Eiskante, die Erfassung der Struktur der turbulenten Flüsse und die quantitative Erfassung der Energie- und Impulshaushalte der atmosphärischen Grenzschicht im Bereich der Eiskante, die Untersuchung der Turbulenz-Struktur in der Eisrandzone sowie die Prüfung von Modellparametrisierungen auf ihre Anwendbarkeit für die MIZ.

 

duree_1.jpgAbbildung 1: Ansicht der BLF-Flugstrategie von Südwest

Dazu wurde im April und Mai 1997 das flugzeuggestützte Feldexperiment KABEG'97 (Katabatic wind and boundary layer front experiment around Greenland; Heinemann, 1998) über der Davis-Straße zwischen Grönland und Kanada durchgeführt. In seinem Verlauf konnten drei Fälle von Grenzschichtfronten erfaßt werden. Im Anschluß an das Feldexperiment wurde ein umfangreiches Programmpaket zur Auswertung der Flugzeugmessungen neu entwickelt. Dabei gelangen mehrere Verbesserungen im Vergleich zu der Auswerte-Methodik, die bisher für das bei KABEG verwendete Meßflugzeug POLAR2 eingesetzt wurde. Die Verbesserungen betreffen v.a. die Messung des Horizontalwindes, der Temperatur, der Globalstrahlung und der Feuchte. Leider erbrachten der mitgeführte Laser-Höhenmesser und die vom Flugzeug abgeworfenen Fallsonden in der bei KABEG verwendeten Konfiguration zusammen mit den in der Davis-Straße herrschenden Bedingungen nicht die erwarteten Ergebnisse.

 

duree_2.jpg
Abbildung 2a: Querschnitt durch die Grenzschicht an der Eiskante im Fall BLF1. Das Meereis befindet sich links. Die Schattierung entspricht der virtuellpotentiellen Temperatur, helle Bereiche entsprechen mehr als 90% relativer Feuchte. Die Daten verschiedener Flugabschnitte wurden um die zeitliche Änderung korrigiert. Zonen, in denen Wolken beobachtet wurden, sind breit gestrichelt umkreist. Die Punkte markieren die Positionen der verwendeten Daten.
Abbildung 2b: Querschnitt durch BLF2. Wie Abb. 2a, nur entsprechen helle Bereiche mehr als 95% relativer Feuchte.duree_3.jpg
duree_4.jpg
Abbildung 2c: Querschnitt durch BLF3. Sonst wie Abb. 2b.

Für alle drei Fälle ist es erstmals gelungen, ohne Zuhilfenahme zusätzlicher Modellannahmen Querschnitte von Grenzschichtfronten an der Eiskante abzuleiten. Die Temperaturschichtung in der Grenzschicht war jeweils sowohl über dem Eis als auch über dem offenen Wasser annähernd neutral. Bei Windgeschwindigkeiten von 11 bis 17 m/s in 45 m Höhe betrugen die Horizontalgradienten der Temperatur und der spezifischen Feuchte umgerechnet 7 bis 10 K bzw. 0.8 bis 1.4 g/kg auf 100 km.

 

Abbildung 3a: Turbulente Flüsse bei BLF1, Profil quer zur Eiskante. Dargestellt sind 8 km-Mittel aus 45 m Flughöhe. Die Fehlerbalken geben den zufälligen Fehler an, berechnet aus der Varianz der jeweiligen Kovarianzfunktion. Das offene Wasser befindet sich rechts.duree_5.jpg
duree_6.jpg
Abbildung 3b: Turbulente Flüsse bei BLF3, wie Abb. 3a.

Für zwei der drei Fälle war eine Turbulenzauswertung möglich. In einem dieser beiden Fälle zeigen die turbulenten Energieflüsse im Bereich der Eiskante einen scharfen Sprung, im anderen dagegen einen sanften Anstieg vom Eis zum offenen Wasser hin. Die Energieflüsse am Ende des Meßprofils über Eis bzw. Wasser unterscheiden sich jedoch in beiden Fällen um einen Faktor 2 bis 3. Der turbulente Impulsfluß steigt über Eis zum offenen Wasser hin an und hat in beiden Fällen nahe der Eiskante über dem Eis ein lokales Maximum.

Die Energiehaushalte werden dominiert von der Advektion trocken-kalter Luft und der Erwärmung durch die Divergenz der turbulenten Wärmeflüsse. Die Grenzschicht erwärmt sich dabei in einem Fall um ca. 1 K pro Stunde; im anderen ist die Temperatur etwa konstant. Als dominante Terme der Impulshaushalte erwiesen sich die Coriolis-Kraft, die Druckgradient-Kraft und die Divergenz des turbulenten Impulsflusses (Reibung).

 

duree_7.jpg
Abbildung 4: Mittlere Energiehaushalte der Grenzschicht über Meereis und offenem Wasser für BLF1 und BLF3. Die zeitliche Änderung (TC) wurde durch Vergleich zweier Flugabschnitte quer zur Eiskante in gleicher Höhe im Abstand von 3 bzw. 3.5 h ermittelt. Die horizontale Advektion (ADV) ist aus den mittleren Windgeschwindigkeiten und Horizontalgradienten in den Ecken des Flugmusters (Abb. 1) berechnet und über die verfügbaren Meßhöhen gemittelt. Die Strahlungsdivergenz (RAD) wurde mit einem Strahlungstransportmodell berechnet. Die vertikale Flußdivergenz ist aus der Differenz der mittleren turbulenten Flüsse zwischen übereinanderliegenden Flugabschnitten parallel zur Eiskante berechnet. Das Residuum (RES) entspricht der Summe aus den nicht erfaßbaren Termen und der Summe der Fehler.

Die Turbulenzspektren weisen in allen Fällen auf die Präsenz von Rollenbewegungen hin. In den Spektren der potentiellen Temperatur sind die entsprechenden Signale weniger ausgeprägt als in denen der Vertikalgeschwindigkeit und der spezifischen Feuchte. In einem Fall hatten die Rollenbewegungen keine sichtbaren Auswirkungen in Form von Wolken, im anderen Fall dagegen führten sie zur Ausbildung von Wolkenstraßen. Für die turbulenten Flüsse wurde eine Skalenanalyse durchgeführt. Daraus ergibt sich der Bereich von 4 bis 12 km als geeignete Mittelungsweglänge zur Berechnung turbulenter Größen oder zur Validation von Modell-Ergebnissen im Bereich von BLFs.

 

duree_8.jpg
Abbildung 5: Beispiel für die Validation einer Parametrisierung: Der empirische Faktor a (Ordinate) wird in der Literatur mit 2 bis 5 angegeben (graue Striche). Bei Verwendung verschiedener Mittelungsweglängen (Abszisse) auf jeweils die gleichen Meßdaten ergeben sich die dargestellten Kurven. Für den Berech von 4 bis 12 km liegt der so experimentell bestimmte Wert in drei von vier Fällen in dem in der Literatur angegebenen Bereich.

Eine Reihe von Parametrisierungen, wie sie in operationellen numerischen Modellen Anwendung finden, konnte mit dem bei KABEG gewonnenen Datensatz auf ihre Tauglichkeit hin untersucht werden. So zeigte sich, daß bei den stark-windigen Verhältnissen in der Davis-Straße für die Parametrisierung der Varianz des Vertikalwindes die dynamische Erzeugung von Turbulenz über die Schubspannungsgeschwindigkeit unbedingt zu berücksichtigen ist. Alle getesteten Parametrisierungen für den turbulenten Diffusionskoeffizienten neigten dazu, die gemessenen Werte zu überschätzen. Die auf der Vertikalgeschwindigkeits-Skala basierende Parametrisierung liefert darunter i. a. die am nächsten bei den Meßwerten liegenden Ergebnisse. Die Benutzung einer Countergradient-Formulierung für den Fluß fühlbarer Wärme erwies sich als unverzichtbar. Die aus den Flugzeugmessungen errechneten Drag- bzw. Bulk-Transfer-Koeffizienten stimmen gut mit dem Bereich überein, der in der Literatur für die vorgefundenen Windgeschwindigkeiten angegeben wird.

 

Literatur

  • Fett, R. W.: 1989, `Polar low development associated with boundary layer fronts in the Greenland, Norwegian and Barents Seas'. In: P. F. Twitchell, E. A. Rasmussen und K. L. Davidson (Hrg.): Polar and Arctic Lows. Deepak Publishing.
  • Heinemann, G.: 1998, `Katabatic wind and Boundary Layer Front Experiment around Greenland ("KABEG 97")'. Reports on Polar Research 269, 1-94.
  • Shapiro, M. A. und L. S. Fedor: 1989, `A case Study of an ice-edge boundary layer front and polar low level development over the norwegian and barents sea'. In: P. F. Twitchell, E. A. Rasmussen und K. L. Davidson (Hrg.): Polar and Arctic Lows. Deepak Publishing.
  • Shaw, W. J., R. L. Pauley, T. M. Gobel und L. F. Radke: 1991, `A Case Study of Atmospheric Boundary Layer Mean Structure for Flow Parallel to the Ice Edge: Aircraft Observations From CEAREX'. J. Geophys. Res. 96 C3, 4691-4708
  •  
Artikelaktionen