76128 Karlsruhe
Etwa 8 %der Ozeane sind in mindestens einer Jahreszeit mit Meereis bedeckt. Für diese eisbedeckten Ozeane sind liegen bisher kaum verläßliche Abschätzungen der Wärmeabgabe des Ozeans an die Atmosphäre vor. Meereis reduziert, vor allem wenn es schneebedeckt ist, den Wärmeübergang vom relativen warmen Wasserkörper an die Luft erheblich. Infolge-dessen kühlt sich im Winter die bodennahe Luft in der zentralen Arktis und über dem ant-arktischen Ozean sehr stark ab. Da diese Luft bei Kaltluftausbrüchen eisfreie Ozeanflächen überströmt, treten dort besonders große Wärmeumsätze auf (hartmann et al. , 1997), die auch im globalen Maßstab mit Jahresmittelwerten von mehr als 100Wjm2 - zum Beispiel in der Grönlandsee - außer gewöhnlich groß sind. Der Wärmeübergang an die Luft im Be-reich von Rinnen und Polynyen ist lokal ebenfalls sehr intensiv und bei der Ableitung von Flächenmittelwerten zu berücksichtigen.
Die zeitliche und räumliche Variation des Energieaustauschs mit der Atmosphäre läßt sich allein durch Messungen über den polaren Ozean nicht vollständig beschreiben. Die Strah-lungsflüsse im Kurz- und LangweIligen und der turbulente Austausch an der Oberfläche werden deshalb in Atmosphären-, Meereis- und Ozeanmodellen durch Parametrisierungs-beziehungen berechnet, die je nach Modellauflösung und Anwendung mehr oder weniger vereinfachend sind. Im Prinzip stehen für diese Berechnung numerische Strahlungsüber-tragungsmodelle und Grenzschichtmodelle zur Verfügung. Die Vorteile der anspruchsvol-leren physikalischen Behandlung können aber nur dann zu realistischen Berechnungen der Energieflüsse führen, wenn die Modellrandbedingungen hinreichend genau bekannt sind.
Für die polaren Ozeane sind aber weder wichtige untere Randbedingungen wie der Eisbe-deckungsgrad, Eisdicke und Schneeauflage noch atmosphärische Randbedingungen wie die Windgeschwindigkeit, die Temperatur und Wolkenart und -bedeckungsgrad hinreichend genau bekannt.
Die Ergebnisse von drei flugzeuggestützten Feldmessungen in der Arktis in den letzten Jah-ren wurden dazu verwendet, neue Parametrisierungen für die bodennahen Strahlungsflüsse sowie die turbulenten Flüsse über Eisoberflächen abzuleiten (Hartmann et al. , 1994; Mai et al., 1996; Freese und Kottmeier, 1998). Die Parametrisierungen werden vorgestellt und die Anwendbarkeit für unterschiedliche Sätze von Eingangsgrößen dargestellt.
Durch Meßprogramme im letzten Jahrzehnt liegen von 55 instrumentierten Bojen auf Eis-schollen Eisbewegungs-, Wind- und Temperaturdaten (Kottmeier und Sellmann, 1996) sowie aus Fernerkundungsprogrammen Eisbedeckungs- (SSMjI), z.T. auch Bewölkungs-daten (ISCCP) für das Weddellmeer vor. Auf der Grundlage der Daten und unter An-wendung von einfachen Modellen werden die Komponenten des Energieaustauschs über dem Weddellmeer abgeschätzt. Die Messungen erlauben es, den turbulenten Wärmestrom
durch Rinnen und Polynyen, den Wärmefluß durch dicke Eisschollen und den Energieaus-tausch im Bereich von küstennahen Polynyen (Markus et al., 1998) detailliert darzustellen.
Der Wärmeaustausch erweist sich über zwei Kopplungen auch von ozeanischen Prozessen abhängig: sehr augeprägte Gezeitenströmungen im südwestlichen Weddellmeer modulie-ren den Flächenanteil von Rinnen im Eis und damit den Austausch mit der Atmosphäre (Padman et al. , 1998). Im östlichen Weddellmeer können Sturmereignisse bei geringen Deckschichttiefen intensive Wärmezufuhr vom Ozean an die Eisunterseite (McPhee et al., 1998) bewirken. Das winterliche Eiswachstum wird dadurch zeitweise unterdrückt und die Wärmeabgabe von der Eisoberseite an die Luft intensiviert. Es scheint aussichtsreich zu sein, diese Rückkoppelungen zukünftig auch in regionalen Meereis- und Atmosphärenmo-dellen zu berücksichtigen.
Literatur:
Hartmann, J., Kottmeier, Ch., Wamser, C., Augstein, E.: Aircraft measured atmospheric momentum, heat and radiation fluxes over Arctic sea ice, in The Polar Oceans and their role in shaping the global environment. Geophys. Monogr. Sero 85, edited by O.M.Johannesen, R.D.Muench and J.E.Overland, 443-454, AGU, Washington.
Mai, S., Wamser, C., Kottmeier, Ch.: Geometric and aerodynamic roughness of sea ice.
Bound. Layer Meteorol., 77, 233-248, 1996.
Kottmeier, Ch., Sellmann, L.: Atmospheric and oceanic forcing of Weddell Sea ice motion.
J.Geophys.Res., 101, C9, 20.809 - 20.824, 1996.
Hartmann, Kottmeier, Ch., Raasch, R.: Boundary layer development and roll vortex struc-ture during a cold air outbreak. Bound. Layer Meteorol., 84, 45-65, 1997.
Markus, T., Kottmeier, C., Fahrbach, E.: Ice formation in coastal polynyas in the Weddell Sea and their impact on oceanic salinity. AGU Antarctic Research Series, 74, 273-292, 1998.
Freese, D., Kottmeier, Ch.: Radiation exchange between stratus clouds and polar marine surfaces. Bound. Layer Meteorol., accepted, 1998.
Padman, L., Kottmeier, Ch., Robertson, R.: Tidal ice motion in the Weddell Sea. Submitted to Deep Sea Research, 1998.
McPhee, M., Morison, J., Kottmeier, C.: Ocean heat flux in the central Weddell Sea during winter. Deep Sea Research, accepted, 1998.
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Der Einfluß verschiedener Turbulenzparameterisierungen auf Simulationen des arktischen Klimas mit dem regionalen Modell
HIRHAM
C. Abegg1), K. Dethloff1), A. Rinke1) und V. F. Romanov2) 1) Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung, Potsdam
2) Arctic and Antarctic Research Institute, St. Petersburg, Rußland 1. Einleitung
Modellsimulationen des arktischen Klimas mit dem hochauflösenden regionalen Klimamodell HIRHAM zeigen signifikante Abweichungen der prognostischen Größen von Stationsdaten in der planetaren Grenzschicht (Dethloff et al. , 1996). Untersucht werden soll nun, welchen Ein-fluß verschiedene physikalische Turbulenzparameterisierungen auf Simulationen des arktischen Klimas haben. Dazu werden drei verschiedene Modellversionen verwendet, die sich in der Pa-rameterisierung der physikalischer Prozesse unterscheiden.
2. Modellversionen
Es wird das regionale atmosphärische Klimamodell HIRHAM (Christensen et al. , 1992) mit einer horizontalen Auflösung von 50 km auf die gesamte Arktis nördlich von 65° N angewen-det. Die verwendeten Versionen mit den Parameterisierungen der atmosphärischen Grenzschicht sind:
• ECHAM3 (Roeckner et al. , 1992), die eine Monin-Obukhov-Ähnlichkeit für die Prandtl-Schicht mit einem Mischungswegansatz in der restlichen atmosphärischen Grenzschicht ver-wendet.
• ECHAM4 (Roeckner et al. , 1996) mit einer zusätzlichen prognostischen Gleichung für die turbulente kinetische Energie (Schließung 1.5-ter Ordnung).
• eine Version, welche die ECHAM3-Physik verwendet und bei der eine neu implementierte Turbulenzschließung auf der Basis einer Rossby-Zahl-Ähnlichkeit für die gesamte atmosphäri-sche Grenzschicht verwendet wird.
3. Ergebnisse
Abbildung 1 zeigt als ausgewähltes Ergebnis die monatsgemittelten Felder der 850 hPa-geo-potentiellen Höhe und die monatsgemittelten Felder der Windvektoren in derselben Höhe des Januar 1991 aus Simulationen mit den drei verschiedenen Modellversionen. Zum Vergleich wird weiter die entsprechende Auftragung aus ECMWF-Analysen gezeigt.
Während das Islandtief und die Hochdruckgebiete über Sibirien und Kanada in allen vier Fel-dern gleich wiedergegeben werden, bilden sich Unterschiede besonders über der Barents- und Grönlandsee sowie über dem zentralen Arktischen Ozean. Die ECMWF-Analysen zeigen ei-ne zyklonale Struktur über dem westlichen Sibirien, welche eiei-nen Luftmassentransport vom eisfreien Nordatlantik in die Barentssee auf das sibirische Festland verursacht. Die 850 hPa-geopotentielle Höhe zeigt eine Abgrenzung des Islandtiefausläufers von der zyklonalen Struktur über Sibirien. Diese Zweiteilung wird auch in den Modelläufen mit ECHAM3 und ECHAM4 deutlich. In der Rossby-Zahl-Simulation verschiebt sich das Tief vom sibirischen Festland in die Barentssee. Deutliche Unterschiede sind auch in der wellenförmigen Struktur der Geopo-tentialfläche über dem Arktischen Ozean zu erkennen. Während die ECHAM3-Simulation im Vergleich zu der ECMWF-Analyse eine Verstärkung der planetaren Welle zeigt, schwächt die Rossby-Zahl-Parameterisierung diese ab.
Der sensible Wärmefluß von der Erdoberfläche in die Atmosphäre, der die Stabilität der at-mosphärischen Grenzschicht bestimmt, zeigt im untersuchten Wintermonat sowohl im Lauf mit Rossby-Zahl-Parameterisierung als auch mit der ECHAM4-Version über Land geringere
Abbildung 1: Monatsgemittelte 850 hPa-geopotentielle Höhe und Windfeld des Januar 1991 für Simulation mit (a) ECHAM3-, (b) ECHAM4- und (c) Rossby-Modellauf sowie (d) ECMWF-Analysen. Der Abstand der Isolinien des Geopotentials beträgt 20 gpm.
Wärmeflüsse vom Boden in die Atmosphäre als die ECHAM3 Simulation. Die größten Unter-schiede zwischen den ECHAM3- und ECHAM4- als auch Rossby-Zahl-Simulationen treten im Winter an der Kante zwischen Meereis und eisfreiem Ozean auf. In der Sommersimulation sind die größten Unterschiede zwischen ECHAM3- und ECHAM4-Modellauf über den kontinentalen Gebieten zu finden.
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die Wechselwirkung der Atmosphäre mit der Erd-oberfläche über die atmosphärische Grenzschicht von besonderer Bedeutung gerade für Simu-lationen des arktischen Klimas ist. Verschiedene Turbulenzschließungen simulieren deutlich un-terschiedliche monatsgemittelte Felder.
4. Literatur
Christensen, J. H. und E. van Meijgaard (1992): On the construction of a regional atmospheric climate model. DMI Tech. Rep. 92-14, Kopenhagen.
Dethloff, K., A. Rinke, R. Lehmann, J. H. Christensen, M. Botzet und B. Machenhauer (1996):
Regional climate model of the Arctic atmosphere. J. Geophys. Res. 101, 23401-23422.
Roeckner, E et al. (1992): Simulation of the present-dayclimate with the ECHAM model: Im-pact of model physics and resolution. MPI Rep. 93, Hamburg.
Roeckner et al. (1996): The atmospheric general circulation model ECHAM4: Model description and simulation of present-day climate. MPI Rep. 218, Hamburg.
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