Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Ausbreitung und Entwicklung von Schwerewellen auf verschiedenen Hintergrundfeldern der Atmosphäre zu simulieren. Dafür wurde
das Raytracing-Programm GROGRAT verwendet. Die Hintergrundfelder stammen aus Analysedaten des ECMWF und Modelldaten des KMCM und wurden für Untersuchungen
der Projekte MSGWaves und GWLCycle ausgewählt.
Für die Analyse der Simulationsergebnisse wurde eine Sammlung von Abbildungen verschiedener Größen der Hintergrundfelder sowie der simulierten Schwerewellenparameter in verschiedenen Projektionen erzeugt, archiviert und exemplarisch präsentiert. Eine erste Analyse der Ergebnisse konnte den Einfluss des Zonalwindes auf den Schwerewellen-Impulsfluss bestätigen.
Zudem ergab eine vorläufige Auswertung gute Ausbreitungsbedingungen für Schwerewellen in den Hintergrundfeldern für das Projekt GWLCycle. Beim Zonalwind und dem Impulsfluss wurden transiente zonal asymmetrische Strukturen festgestellt. Dies muss aufgrund der über die Schwerewellen vermittelte Wechselwirkung zwischen den Atmosphärenschichten bei dem Auftreten plötzlicher Stratosphärenerwärmungen, wie sie im Projekt MSGWaves untersucht wird, berücksichtigt werden.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Motivation
1.2. Struktur der Atmosphäre
1.3. Wichtige physikalische Größen
1.4. Schwerewellen
1.5. Plötzliche Stratosphärenerwärmungen
1.6. Beobachtungen
1.7. Simulationen
1.8. Plan der Untersuchung
2. Modell und Datenmaterial
2.1. GROGRAT und IAPGRO
2.1.1. GROGRAT
2.1.2. IAPGRO
2.2. ECMWF-Analysedaten
2.3. KMCM-Modelldaten
3. Ergebnisse
3.1. GWLCycle (ECMWF)
3.2. MSGWaves (KMCM)
4. Diskussion
4.1. GWLCycle (ECMWF)
4.2. MSGWaves (KMCM)
5. Zusammenfassung
A. Technische Details
A.1. GRO_PRE
A.2. GRO_RUN
A.3. grogratoptions
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Bachelorarbeit untersucht die Ausbreitung und Entwicklung von Schwerewellen in der Erdatmosphäre unter Verwendung des Raytracing-Programms GROGRAT, um den Einfluss dieser Wellen auf Zirkulationsprozesse und ihre Rolle bei plötzlichen Stratosphärenerwärmungen besser zu verstehen.
- Anwendung und Analyse von Schwerewellen-Simulationen mit dem Programm GROGRAT
- Einsatz von meteorologischen Hintergrunddaten aus ECMWF-Analysen und KMCM-Modellen
- Untersuchung des Filtereffekts des Zonalwindes auf die Transmission von Schwerewellen
- Analyse der Kopplung zwischen Atmosphäre, Schwerewellen und stratosphärischen Erwärmungsereignissen
Auszug aus dem Buch
1.4. Schwerewellen
Atmosphärische Wellen sind durch periodische Schwankungen von Druck, Dichte, Temperatur und Wind, welche sich in der Atmosphäre ausbreiten, charakterisiert. Für die vorliegende Untersuchung wird zwischen drei verschiedenen Typen von Wellen in der Atmosphäre unterschieden:
Planetare Wellen haben Wellenlängen in der Größenordnung des Erdumfangs. Ihre hauptsächlich antreibende Kraft ist die breitenabhängige Corioliskraft. Deshalb schwingen planetare Wellen transversal und ihre Schwingung ist primär in meridionaler Richtung mit nach Westen gerichteter Phasengeschwindigkeit. Schwingungen und damit Ausbreitung in den anderen Raumrichtungen speziell die Ausbreitung in der Vertikalen, treten allerdings ebenfalls auf.
Schwerewellen schwingen wie planetare Wellen transversal, ihre Schwingungsebene liegt hauptsächlich in der Vertikalen, kann sich jedoch auch beliebig im Raum ausrichten, so dass es auch bei Schwerewellen, noch stärker als bei planetaren Wellen, zu einer vertikalen Ausbreitung kommt. Die bei der Oszillation wirkenden Kräfte sind die Schwerkraft bzw. die Auftriebskraft, weswegen es auch zur Bezeichnung Schwerewellen kommt. Im Englischen spricht man von gravity waves oder buoyancy waves.
Schallwellen entstehen durch kleinskalige Druckveränderungen, die sich mit longitudinaler Schwingungsrichtung ausbreiten. Sie sind zwar die allgemein bekanntesten Wellen, haben jedoch kaum Einfluss auf die Prozesse in der Atmosphäre.
Planetare und Schwerewellen spielen hingegen eine wichtige Rolle in der Kopplung zwischen den verschiedenen Schichten der Atmosphäre und haben einen wichtigen Einfluss auf großräumige Zirkulationen. In dieser Arbeit sind insbesondere Schwerewellen von zentraler Bedeutung, weshalb sie im Folgenden näher erläutert werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Dieses Kapitel motiviert die Untersuchung von Schwerewellen im Kontext des Klimawandels und definiert die grundlegenden physikalischen sowie atmosphärischen Rahmenbedingungen.
2. Modell und Datenmaterial: Hier werden das verwendete Raytracing-Programm GROGRAT sowie die Datenquellen, bestehend aus ECMWF-Analysedaten und KMCM-Modelldaten, detailliert vorgestellt.
3. Ergebnisse: Dieses Kapitel präsentiert die durchgeführten Simulationen und visualisiert die Ausbreitung von Schwerewellen für verschiedene meteorologische Szenarien.
4. Diskussion: Hier werden die Simulationsergebnisse im Hinblick auf den Filtereffekt des Zonalwindes und die Rolle bei Stratosphärenerwärmungen interpretiert und kritisch bewertet.
5. Zusammenfassung: Dieses abschließende Kapitel fasst die wesentlichen Erkenntnisse der Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf notwendige weiterführende Untersuchungen.
A. Technische Details: Dieser Anhang enthält die spezifischen Namelisten-Konfigurationen der verwendeten Software-Module GRO_PRE, GRO_RUN und grogratoptions für die Reproduzierbarkeit der Simulationen.
Schlüsselwörter
Schwerewellen, Atmosphäre, Raytracing, GROGRAT, Zonalwind, Stratosphärenerwärmung, Impulsfluss, KMCM, ECMWF, Wellenausbreitung, Zirkulation, Brunt-Vaisälä-Frequenz, Planetare Wellen, Stratosphäre, Mesosphäre
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der numerischen Simulation und Analyse von Schwerewellen in der Erdatmosphäre unter Nutzung des Raytracing-Programms GROGRAT.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themen sind die Ausbreitung von Schwerewellen, der Einfluss des Zonalwindes auf diese Wellen und deren Rolle bei atmosphärischen Zirkulationsprozessen sowie Stratosphärenerwärmungen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, die Entwicklung von Schwerewellen in verschiedenen meteorologischen Hintergrundfeldern zu simulieren und zu prüfen, inwieweit diese Wellen zur Dynamik der mittleren Atmosphäre beitragen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden Raytracing-Simulationen durchgeführt, die auf physikalischen Gleichungen der Atmosphärendynamik basieren und klimatologische Hintergrunddaten aus ECMWF- und KMCM-Modellen nutzen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die Modellbeschreibung, die Präsentation der Simulationsergebnisse (z.B. Temperatur- und Impulsflussverläufe) sowie deren fachwissenschaftliche Diskussion.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich am besten durch Begriffe wie Schwerewellen, Raytracing, GROGRAT, Zonalwind, Stratosphärenerwärmung und Impulsfluss beschreiben.
Was bedeuten die Begriffe GWLCycle und MSGWaves im Kontext der Arbeit?
Dies sind die Namen der untersuchten Projekte bzw. Datensätze, wobei GWLCycle auf ECMWF-Daten basiert und MSGWaves auf KMCM-Modellsimulationen zurückgreift.
Welche Bedeutung haben die sogenannten Major Warmings in dieser Arbeit?
Diese plötzlichen Stratosphärenerwärmungen werden exemplarisch untersucht, um zu verstehen, wie sie die Ausbreitung von Schwerewellen und die großräumige Windstruktur in der Atmosphäre verändern.
- Arbeit zitieren
- Jan Bahnsen (Autor:in), 2014, Simulationen von Schwerewellen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/335097
