Dynamik von Rossbywellenpaketen aus einer quantitativen PV-Perspektive
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Rossbywellenpakete sind ein wichtiger Bestandteil der Dynamik in den mittleren Breiten und können insbesondere Vorläufer von Schwerwetterereignissen sein. Es wird davon ausgegangen, dass sich Rossbywellenpakete positiv auf die Vorhersagbarkeit auswirken, da sie in hohem Maße durch balancierte Dynamik beschrieben werden können. Neuere Studien haben jedoch gezeigt, dass diabatische Prozesse, insbesondere Feuchtprozesse, die Amplitude und Ausbreitung von Wellenpaketen beeinflussen können und so Unsicherheiten in den Vorhersagemodellen entstehen, die sich stromabwärts ausbreiten. In dieser Arbeit wird eine Diagnostik entwickelt und angewandt, die einen Beitrag zu einem besseren Verständnis dieser immanenten Unsicherheiten leisten kann.
Rossbywellenpakete werden in dieser Arbeit als Anomalien der potentiellen Vorticity (PV) auf isentropen Flächen, die die Tropopause schneiden, identifiziert. Diese Betrachtungsweise wurde gewählt, da die PV nicht nur eine intuitive Beschreibung der Dynamik ermöglicht, sondern gerade auch die Vorhersagefehler der PV entlang der Tropopause maximal werden. Mit Hilfe dieser Schlüsselgröße lässt sich die Dynamik der Atmosphäre vollständig in vier Prozesse unterteilen, die im Kontext der Rossbywellendynamik in dieser Arbeit erstmals quantifiziert werden.
Die Gruppenausbreitung eines Rossbywellenpaketes wird durch einen quasi-barotropen Ausbreitungsmechanismus beschrieben. Findet außerdem eine Wechselwirkung mit der Dynamik in der unteren Atmosphäre statt, wird das Wellenpaket durch barokline Wechselwirkung modifiziert. Die Entwicklung der Anomalien durch quasi-barotrope Ausbreitung und barokline Wechselwirkung wird durch das bekannte Konzept der baroklinen Entwicklung stromabwärts beschrieben. Zusätzlich werden in dieser Arbeit divergentes Ausströmen in der Höhe und direkte diabatische Modifikation untersucht. Besonders ausgeprägtes divergentes Ausströmen ist in hohem Maße mit dem Freisetzen latenter Wärme unterhalb des Ausströmens verbunden und kann daher als indirekt diabatisch betrachtet werden. In dieser Arbeit wird eine Diagnostik entwickelt, die diese Prozesse unterteilt und ihren relativen Einfluss auf die Entwicklung von Wellenpaketen quantifiziert. Insbesondere die relative Wichtigkeit der diabatischen Prozesse kann durch die neu entwickelte Diagnostik schärfer erfasst werden als mit existierenden Methoden.
Die entwickelte Diagnostik wird in dieser Arbeit auf drei Fallstudien von Wellenpaketen angewandt. Um die dabei gefundenen Ergebnisse mit Hilfe vieler Wellenpakete zu untermauern, wird abschließend eine Composite-Analyse relativ zur maximalen Amplitude durchgeführt. Barokline Entwicklung stromabwärts ist ein wichtiger Prozess für die Amplitudenentwicklung, wird jedoch durch starkes divergentes Ausströmen in der Höhe beeinflusst. Innerhalb der Composite-Analyse ist divergentes Ausströmen sogar der dominante Prozess für die Verstärkung der Rücken und Abschwächung der Tröge. Da der divergente Einfluss in hohem Maß durch Feuchtprozesse verstärkt wird, reicht balancierte Dynamik nicht aus, um die Entwicklung des Wellenpaketes zu beschreiben.
Direkte diabatische Modifikation spielt hingegen eine untergeordnete Rolle für die Amplitudenentwicklung. Die relative Wichtigkeit der verschiedenen Prozesse zwischen den einzelnen Anomalien ist jedoch einer großen Variabilität unterworfen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, wie wichtig es ist divergentes Ausströmen und damit das Freisetzen latenter Wärme in numerischen Vorhersagemodellen möglichst korrekt zu repräsentieren, um die Vorhersagbarkeit von Rossbywellenpaketen und den damit verbundenen Wetterereignissen zu verbessern.