Die Dynamik tropischer Wirbelstürme

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Die Dynamik tropischer Wirbelstürme

Roger K. Smith Universität München

Inhalt

¾ Allgemeine, beobachtete Struktur

¾ Dynamische Prozesse

™Primäre Zirkulation

™Dynamik des Auges

™Reibungseinflüsse und sekundäre Zirkulation

™Intensivierung von Wirbeln

™Der WISHE Mechanismus

¾ Ein minimales Hurrikanmodell

¾ Offene Fragen und Probleme

Hurrikan Mitch, Oktober 1998

Entstehungsgebiete

Tropische Zyklogenese benötigt eine Wassertemperatur

Zyklone Tropische Zyklone Hurrikane

Taifune

3 Bahnen tropischer Wirbelstürme (1979-1988)

Gemittelte Bahnen tropischer Wirbelstürme

Zugbahnen der Hurrikane 1998

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Hurrikan Forschungsflugzeug NOAA WD-P3

Radarbild vom Heckradar

Schematischer Querschnitt durch einen Hurrikan

Cirrus Cirrus

Auge

Spiralbänder

Eyewall

7 Vertikal-radialer Schnitt durch einen Hurrikan

Aus Wallace and Hobbs (1977) Houze Fig. 10.11

θ

warm

Flüsse latenter Wärme

Äquivalentpotentielle Temperatur

Isothermen

Isotachen

r

v

niedrigster Druck im Zentrum Rotationsachse

Druckgradient- kraft

Zentrifugalkraft und Corioliskraft

v2 1 p

r fv r

+ = ∂

Gradientwindbalance

Primäre (tangentiale) Zirkulation

Kräftebilanz in einem Wirbel

Primäre (tangentiale) Zirkulation

8

warm

v(r,z)

Gradientwindbalance

v2 1 p

r fv r

′ + = ∂

ρ ∂

Hydrostatisches Gleichgewicht

o o

1 p g(T T )

0 ,

z T

∂ ′ −

= − + σ σ =

ρ ∂

o

2v f v g T

r z T r

∂ ∂

 +  = +

  ∂ ∂

  …

Thermischer Wind ⇒ z

r kühl

Grossaufnahme des Auges

9 Dynamik des Auges

8

warm

v(r,z)

Gradientwindbalance

v2 1 p

r fv r

′ + = ∂

ρ ∂

z

r

2

0

p (z, ) p (z,0) v fv dr r

∞  

′ ∞ − ′ = ρ + 

 

∫

2

0

p (z,0) v fv dr 0

z z r

∞   

∂ ′ ∂

−∂ =

∫

0 1 p z

∂ ′

= − + σ

ρ ∂

v 0 z

∂ <

∂

kühl

r

v

Druckgradient -kraft

Zentrifugalkraft und Corioliskraft werden durch Reibung verringert v

sekundäre Zirkulation

Reibungsbedingte sekundäre Zirkulation

¾ Basisprinzip:

r

v

v = M/r − rf/2 Wenn r abnimmt, nimmt v zu!

Spinup benötigt radiale Konvergenz - Erhaltung des absoluten Drehimpulses: M = rv + r

f/2

Dynamik des Spinups von Wirbeln

∂

∂w<

z 0

∂

∂w>

z 0

Grenzschicht Divergenzfreie Höhe V

Vertikaler Schnitt

Dynamik des Spindowns von Wirbeln

V t

∂

∂

 8

11

∂

∂w<

z 0

∂

∂w>

z 0

Reibungsschicht

Auftriebskraft∝horizontaler (virtueller) Temperaturunterschied

Auftrieb in einem Wirbel

Divergenzfreie Höhe warm ⇒ Auftrieb

 8

T

T

Theorie des “Wind-induced Surface Heat Exchange” (WISHE)

8

8

8 Flüsse latenter Wärme

θ

θ

v

∝ C

|V

|(q*(T

,p) – q

)

e *(T) q* r*

p e * (T)

= ε

∼ −

θ

θ

*

v e

T (r, p)∝ θ (r, p)

Erhöhung vomV=> Druckabnahme: Beides

=> Erhöhung des Flusses latenter Wärme =>

Verstärkung des radialenθeGradienten =>

Erhöhung der Konvergenz => Zunahme von V

… u.s.w. ABERkein unbegrenzter Prozess!

T

M, θ

= const

1 2

M rv= +2r f



Auge

warm

M

M

M

Schicht -3 Schicht-1

M

M

M

Abwind

Schicht -b Die Parameterisierung hochreichender Konvektion

M

– Μ

M

– M

– Μ

13 Maximale tangentiale Windgeschwindigkeit in der mittleren Schicht

Zeit (Std)

1 = Explizit

3 = Emanuel 2 = Arakawa

4 = Ooyama

V

(ms

)

Einige offene Fragen und Probleme

¾ Wie verhalten sich komplexe Modelle?

¾ Asymmetrische Spinup-Mechanismen

¾ Wechselwirkung mit Trögen in der oberen Atmosphäre

¾ Scherung des Horizontalwindes mit der Höhe

¾ Einfluss des Bodens: z.B. Ozeanoberfläche, das Verhalten des Austauschkoeffizienten in Bodennähe bei starkem Wind (> 20 m/s)

¾ Starkniederschläge

¾ Initialisierung von Vorhersagemodellen

¾ Umwandlung tropischer Zyklone im extratropische

Systeme