T. Garbrecht, C. Lüpkes, C. Wamser
Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung 27568 Bremerhaven, Deutschland
1. Das Experiment
Während der Expedition ARK XII im Spätsommer 1996 in den Arktischen Ozean wurde mit Hilfe der Thrbulenzmeßanlage (TMS) des FS POLARSTERN die Wir-. kung eines etwa 4Wir-.5 m hohen Preßeisrückens auf die bodennahe Grenzschicht der Atmo-sphäre vermessen. Der mehrere 100 m lan-ge (und damit nahezu zweidimensionale) Rücken bildete die leeseitige Begrenzung ei-ner Eisscholle, an die sich eine größere Was-serfläche (Polynya) anschloß. Der bodenna-he Wind war nabodenna-hezu senkrecht zur Rücken-achse und vom Eis zum Wasser gerichtet (siehe Abb. 1).
1
bodennahe Windrichtungwerden als Referenz betrachtet.
Die gesamte Meßzeit von 2 Stunden wurde in 6 Teilintervalle von jeweils 15 Minuten mit unterschiedlichen Abständen zum Preß-eisrücken unterteilt, die Daten einer Band-paßfilterung von 0.01 bis 2 Hz unterzogen, um die Überlagerung großskaliger Effekte sowie vereinzelt auftretender Schwingungen des Mastes zu eliminieren.
Die Messung erfolgte bei neutraler Schich-tung sowie unter nahezu stationären Bedin-gungen.
2. Ergebnisse
a. Das mittlere Windfeld
Das mittlere Windfeld (Abb. 2) weist ober-halb des Rückenkammes eine Beschleuni-gung um etwa 25 Prozent gegenüber den Werten der ungestörten Anströmung auf.
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Abstand zum Rücken (m) Abbildung 2: Isolinien der Windgeschwin-digkeit. Die "Ye~te der linken Seite entspre-chen der ungestörten Anströmung.
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Dieses 'speed-up' erreicht sein Maximum in der Meßhöhe von 13 Metern. Im Lee des Rückens werden - bedingt durch den
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Abbildung 1: Skizze des Experimentes.
Die TMS besteht aus 5' Ultraschallanemo-metern (USAT-3) und 5 PT-100 der Fir-ma METEK, die jeweils in Höhen zwischen 3.8 und 20 m am Bugkran der Polarstern angebracht waren, so daß auf einer Strecke von 400 m im Lee des Rückens die mittle-ren und turbulenten Größen des Windvek-tors und der Lufttemperatur gemessen wer-den konnten. Eine Messung über dem Eis seitlich des Rückens repräsentiert die un-gestörte Anströmung der Luft. Diese Werte
b. Das turbulente Windfeld
Am Kamm des Rückens wird eine intensive Turbulenz angeregt, deren spektrales Maxi-mum bei einer Periode von ca. 5 Sekunden (Wellenlänge ca. 20 Meter) liegt. Die
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Abstand zum Rücken (m) Abbildung 3: Wie Abb. 2; hier für die TKE Abschattungseffekt - zunächst geringere Windgeschwindigkeiten als in vergleichba-ren Höhen der Anströmung gemessen. Erst in einer Entfernung vOll etwa 400 Metern erreicht die Windgeschwindigkeit wieder die Werte der Anströmung.
Die Deformation des Windfeldes ent-spricht qualitativ den Ergebnissen zahlrei-cher Windkanaluntersuchungen (z.B. Arya und Shipman, 1981).
4. Literatur
Arya S.P.S., Shipman M.S., 1981:
An experimental investigation of fIow and diffusion in the disturbed boundary layer over aridge: 1) mean fIow and turbulence structure.
Atmospheric Environment 15, 1185 - 1194
Nägeli W., 1946:
Weitere Untersuchungen über die Wind-verhältnisse im Bereich von Windschutz-streifen.
Mitteilungen d. Schweizerischen Anstalt für das forstliche Versuchswesen 24, 659 - 737 Hanssen-Bauer 1., Gjessing Y.T., 1988:
Observations and model ca1culations of ae-rodynamic drag on sea ice in the Fram Strait.
Tellus 40 A, 151 - 161 3. Interpretation
Die Messungen erlauben, die Wirkung eines Eisrückens sowohl auf die mittlere als auch auf die turbulente Struktur der bodenna-hen Luftschicht und damit den Impulsaus-tausch zwischen Atmosphäre und Meereis bzw. Ozean zu beschreiben. Im betrachte-ten Fall reicht der horizontale Einfluß ei-nes einzelnen Rückens auf die bodennahe Schicht über das 50-fache seiner Höhe hin-aus (Aspektverhältnis x/H
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50). Dieser Wert ist etwa doppelt so hoch wie es eine oft zitierte Näherung von Hanssen-Bauer und Gjessing (1988) an Messungen von Nägeli (1946) erwarten ließe.Die Kenntnis von Abschattungsprozessen und Impulsflüssen im Lee von Eisrücken und -schollen ist nötig, um Wechselwir-kungsprozesse zwischen Atmosphäre und eisbedecktem Ozean in gekoppelten Atmo-sphären-Meereismodellen besser
--bulente kinetische Energie (TKE, Abb. 3) weist in der Nähe des Rückens ein deut-lich ausgeprägtes Maximum mit etwa zehn-fachen Werten im Vergleich zur Anströmung auf. Dieses Maximum schwächt sich mit zu-nehmendem Abstand ab und verschiebt sich zunehmend nach oben. Die interne Grenz-schicht mit erhöhter Turbulenz, die sich im Lee des Rückens ausbildet, hat eine hori-zontale Erstreckung von etwa 250 Metern, ihre Höhe wächst nach einem Potenzgesetz mit dem Abstand zum Eisrücken. Ein ähn-liches Bild zeigt sich in den Abbildungen für die Schubspannungsgeschwindigkeit so-wie die Varianz der Vertikalbewegung.
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Vergleich der Variabilität der Meereiseigenschaften in Satellitenbeobachtungen und Simulationen
Markus Harder, Michael Hilmer, Peter Lemke, Thomas Martin, Cordula Meyer Sandra Schuster, Nadja Steiner, Stefan Voß, Mieke Windmüller
Institut für Meereskunde Kiel, Abt. Meteorologie, Düsternbrooker Weg 20, 24105 Kiel Kontakt: mharder@ifm.uni-kiel.de http://www.ifm.uni-kiel.de/me/SIMIP/simip.html
Tel. 0431 597 3873 Fax 0431 597 565 876
Die Modifikation der Flüsse zwischen Atmosphäre und Ozean in meereisbedeckten Regionen hängt stark von den Eiseigenschaften (Bedeckungsgrad, Eisdicke) ab. Variationen der Wind- '+Ild Temperaturfelder auf saisonalen bis dekadischen Zeitskalen erzeugen eine hohe Variabilität in den Eigenschaften der Eisdecke und den damit zusammenhängenden Wärme- und Strahlungsflüssen.
Flächendeckende, kontinuierliche Beobachtungen aus Satellitenmessungen liegen zwar für den Eisbedeckungsgrad, aber bislang kaum für die Eisdicke vor. Eine indirekte Information über die Eisdicke kann jedoch aus Messungen satellitengestützter passiver Mikrowellensensoren (SMMR, SSMlI) gewonnen werden, die im Bedeckungsgrad eine Unterscheidung zwischen den beiden Eistypen einjähriges und mehrjähriges Eis, die sich typischerweise in ihrer Dicke unterscheiden, treffen. Ebenso kann die Eisrauhigkeit, die mit Fernerkundungsmethoden sowie mit Echoloten auf ozeanographischen Verankerungen und U-Booten beobachtet werden kann, als zusätzliche Größe zur Verifikation der Modelle eingesetzt werden.
Wir untersuchen die satellitenbeobachteten Konzentrationen ein- und mehrjährigen Eises in der Arktis für die Winter der Jahre 1979 bis 1995, berechnen Anomalien und räumliche Muster der Variabilität (u. a. mit EOFs) und korrelieren diese mit den Anomalien der Wind- und Temperaturfelder aus den NCEP/NCAR-Reanalysen. Ein statistisch signifikanter Zusammenhang wird insbesondere zwischen Windfeld und räumlicher Variabilität der Eiseigenschaften festgestellt.
Um die physikalischen Grundlagen dieses Zusammenhangs zu untersuchen, wird ein dynamisch-thermodynamisches Meereismodell mit diesen Wind- und Temperaturfeldem für den Zeitraum 1958-1997 angetrieben. Das simulierte Eisalter wird zur Charakterisierung des Eistyps verwendet.
Die Simulationsergebnisse werden mit den gleichen statistischen Methoden analysiert wie die Satellitenbeobachtungen.
Die durch windgetriebene Advektion hervorgerufenen Anomalien der Eiseigenschaften einzelner Jahre werden vom Modell gut reproduziert. Das Modell zeigt einen engen Zusammenhang zwischen simulierter Eisdicke und simuliertem Eisalter. Letzteres zeigt wiederum eine hohe Korrelation mit den Satellitenbeobachtungen der Bedeckungsgrade ein- bzw. mehrjä.hrigen Eises. Diese Ergebnisse belegen, daß die passiven Mikrowellendaten eine langfristige, flächendeckende Beobachtung mit·
der Eisdicke korrelierter Eiseigenschaften ermöglichen.
Analoge Untersuchungen der Variabilität der Meereisdecke werden anhand der Größe Eisrauhigkeit durchgeführt. Steiner et al. (1998) haben erfolgreich die simulierte großskalige Eisrauhigkeit
(Harder, 1996) mit der beobachtbaren geometrischen Rauhigkeit des Meereises verknüpfen können.
Die in Entwicklung befindlichen Femerkundungsmethoden zur Beobachtung der Eisrauhigkeit werden so ihrer Anwendung in der Verifikation von Klimasimulationen zugeführt.
Die "klassischen" Größen zur Beschreibung der Meereiseigenschaften (Eisdicke und -drift, eisbedeckte Fläche) haben ebenfalls einen erheblichen Aufschwung in der aktuellen Forschung erhalten. Zum einen ermöglichen die Reanalysen der atmosphärischen Daten von NCEP/NCAR Simulationen über nunmehr rund 40 Jahre, was Untersuchungen der Variabilität auch auf dekadischen Zeitskalen erlaubt (Hilmer, 1997; Windmüller, 1997). Zum anderen eröffnen neue Femerkundungsmethoden die Möglichkeit, auch die Eisdrift (z. B. Thomas Martin, Martin Kreyscher) und die Eisdicke (Seymour Laxon et al.) flächendeckend von Satelliten aus zu beobachten und zur Modellverifikation einzusetzen.
In diese Forschung fließt eine Vielzahl internationaler und nationaler Aktivitäten ein. Das Sea lee Model lntereomparison Projeet (SIMIP) der Aretie Climate System Study (ACSYS) des World Climate Research Programme (WCRP)' trägt einen wesentlichen Anteil der internationalen Koordination. Wissenschaftlich relevante Beiträge steuern unter anderem der Sonderforschungsbereich 460der Universität Kiel, das BMBF-Verbundprojekt Fernerkundung von Meereiseigenschaften und -prozessen(FEME), das EU-Projekt SEALION und das WCRPAntaretie lee Thiekness Projeetbei.
Ausgewählte Publikationen zum Thema:
Harder, Markus und Peter Lemke: Modelling the extent of sea ice ridging in the Weddell Sea, in: The polar oceans and their role in shaping the global environment, Geophysical Monograph 25, American Geophysical Union, pp. 187--197, 1994.
Harder, Markus: Dynamik, Rauhigkeit und Alter des Meereises in der Arktis -- Numerische Untersuchungen mit einem großskaligen Modell, Berichte zur Polarforschung 203, pp. 127, 1996.
Harder, Markus: Roughness, age and drift trajectories of sea ice in large-scale simulations and their use in model verifications, Annals ofGlaciology 25, pp. 237-240, 1997.
Harder, Markus, Peter Lemke und Michael Hilmer; Simulation of Sea Ice Transport Through Fram Strait - Natural Variability and Sensitivity to Forcing, Journal of Geophysical Research (Oceans), Vol. 103, No. C3, pp. 5595-5606,
1998.
Hilmer, Michael: Numerische Untersuchungen des Einflusses atmosphärischer Antriebsfelder in Simulationen der Grenzfläche Atmosphäre-Eis-Ozean in der Arktis, Diplomarbeit am InstitutfiirMeereskunde, Abteilung Meteorologie, an der Universität Kiel, 1997.
Kreyscher, Martin, Markus Harder und Peter Lemke: First results of the Sea Ice Model Intercomparison Project (SIMIP), Annals ofGlaciology 25, pp. 8-11, 1997.
Lemke, Peter, William D. Hibler III, Gregory M. Flato, Markus Harder und Martin Kreyscher: On the improvement of sea ice models for c1imate simulations: the Sea Ice Model Intercomparison Project, Annals of Glaciology 25, pp. 183-87, 1997.
Steiner, Nadja, Markus Harder und Peter Lemke: Modelling sea ice roughness in the Arctic, in: Ice physics in the natural and endangered environment, J. Wettlaufer (Hrsg.), NATO ASI series B: physics, 1998, in Druck.
Windmüller, Mieke: Untersuchung von atmosphärischen Reanalysedaten im Weddellmeer und Anwendung auf ein dynamisch-thermodynamisches Meereismodell, Diplomarbeit am InstitutfiirMeereskunde, Abteilung Meteorologie, an der Universität Kiel, 1997.
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