Authors:	Glatt, Ilona
Title:	Automatische objektive Identifikation und Berechnung der Eigenschaften von Rossbywellenzügen
Online publication date:	9-May-2012
Year of first publication:	2012
Language:	german
Abstract:	In dieser Arbeit wird eine Methode entwickelt, die Rossbywellenzüge automatisch identifiziert und und deren Eigenschaften quantifiziert. Mit dieser Methode wird der Wellenzug als eine Einheit in Raum und Zeit interpretiert. Einheit im Raum heißt, dass nicht die einzelnen Tröge und Rücken eines Wellenzugs betrachtet werden, sondern deren Einhüllende. Einheit in der Zeit bedeutet, dass der Wellenzug nicht nur zu einem Zeitpunkt betrachtet wird, sondern über seine gesamte Lebensdauer hinweg. Um den Wellenzug als räumliche und zeitliche Einheit zu erhalten, werden die Einhüllenden der Wellenzüge in Längengrad-Zeit Diagrammen, sogenannten Hovmöllerdiagrammen, betrachtet. Dort werden zusammenhängende Regionen als Objekte, die jeweils einen Wellenzug repräsentieren, identifiziert. Deren Eigenschaften werden dann automatisch berechnet. Diese Eigenschaften können nun direkt dem zugrunde liegenden Rossbywellenzug zugeordnet werden.\r\nDie neue Methode wird in zwei verschiedenen Szenarien angewendet: erstens zur Beurteilung der Vorhersagequalität eines einzelnen Rossbywellenzugs und zweitens für die klimatologische Betrachtung von Rossbywellenzügen im ERA-40 Reanalysedatensatz. Sie wurde weiterhin mit bisher verwendeten Methoden zur Identifikation und Quantifizierung von Rossbywellenzügen verglichen.\r\nDie Untersuchung der Vorhersagequalität ergab, dass in dem betrachteten Fall die Übereinstimmung der Vorhersage mit der Analyse des Wellenzugs gering war, sofern das Modell initialisiert wurde, bevor der Rossbywellenzug eingesetzt hatte. Im Gegensatz dazu nahm die Vorhersagequalität deutlich zu, wenn der Wellenzug bereits in den Vorhersagedaten enthalten war. Dies deutet darauf hin, dass es in dem vorliegenden Fall problematisch ist, mit dem Modell den Auslösemechanismus korrekt voherzusagen. Für die weitere Untersuchung der Vorhersagequalität wurde eine spezielle Art der Darstellung der Daten verwendet, mit deren Hilfe deutlich wurde, dass das verwendete Modell in der Lage ist, diesen Wellenzug ungefähr sechs Tage im Voraus vorherzusagen. Diese Zeitspanne ist deutlich kürzer als die Lebensdauer des Wellenzugs, die etwa 10 Tage beträgt.\r\nIm Rahmen der klimatologischen Studie ergab sich eine positive Korrelation zwischen der Lebensdauer eines Rossbywellenzugs und des Bereichs den dieser Wellenzug während seiner gesamten Existenz in zonaler Richtung überstreicht. Für Wellenzüge mit einer kurzen Lebensdauer ergab sich eine ebenfalls positive Korrelation zwischen der mittleren Amplitude und der Dauer des Wellenzugs. Für eine längere Lebensdauer geht diese Korrelation aber in eine Sättigung über und die mittlere Amplitude steigt nicht mehr weiter an. Als eine mögliche Erklärung für dieses Verhalten wird angeführt, dass eine gewisse Stärke der Amplitude benötigt wird um stromabwärtige Entwicklung zu erhalten aber zu große Amplituden im Allgemeinen zum Brechen der Welle führen. Das Brechen leitet den letzten Abschnitt im Lebenszyklus eines Rossbywellenzuges ein, welcher im Anschluss meist zerfällt. Ein weiteres Ergebnis der klimatologischen Untersuchung ist das Auffinden bevorzugter Regionen der Entstehung und des Abklingens von Rossbywellenzügen. Diese Regionen unterscheiden sich erheblich für Rossbywellenzüge unterschiedlicher minimaler Lebensdauer. Langlebige Rossbywellenzüge entstehen demnach hauptsächlich über Ostasien und dem Westpazifik und vergehen dann über Europa.\r\nSchließlich wurde die entwickelte Methode in einen systematischen Vergleich anderer Methoden zur Identifikation und Quantifizierung von Rossbywellenzügen eingereiht. Die betrachteten Methoden beinhalten verschiedene Trog-und-Rücken Hovmöllerdiagramme des Meridionalwindes, Methoden die Rossbywellenzüge als eine Einheit identifizieren und Methoden die den Beitrag verschiedener physikalischer Aspekte zu der Entwicklung von Rossbywellenenzügen quantifizieren. Der Vergleich macht deutlich, dass jede Methode ihre individuellen Stärken und Schwächen hat. Dies bedeutet insbesondere, dass die Eignung der Methode von dem Stadium des Lebenszyklus, in dem sich der Rossbywellenzug befindet und dem Fokus, den man bei der Betrachtung hat, abhängt. Ideal ist eine Kombination mehrerer Methoden, da dies ein vollständigeres Bild eines Rossbywellenzuges ergibt als einzelne Methoden es zu liefern vermögen. Obwohl alle Methoden für die Anwendungen, für die sie jeweils konzipiert wurden, geeignet sind, ergeben sich bei der Diagnose der Rossbywellenzüge beträchtliche Unterschiede. Letztendlich stellt sich heraus, dass sogar die Defintion eines Rossbywellenzugs bis zu einem gewissen Grad von der zu seiner Identifizierung verwendeten Methode abhängt. In this thesis, a novel method for the identification of Rossby wave trains and the quantification of their properties is developed. The method identifies the wave train automatically, neglecting its phase by calculating the envelope of the wave train. The method includes the temporal evolution of the wave train. Based on the representation of the envelope in longitude-time diagrams, so-called Hovmöller diagrams, the method identifies each coherent region as an object. Each object represents one wave train. The method determines several of the properties of the objects which can be assigned to the underlying wave trains.\r\nThe novel method is applied in two different frameworks: the quantification of the forecast quality of a chosen Rossby wave train and a climatological study of Rossby wave trains. Finally, the new method is compared to several other methods for the identification and quantification of Rossby wave trains that have been used so far.\r\nThe investigation of the forecast quality in the considered case shows little agreement between the forecast and the verifying analysis, as long as the model is initialised before the onset of the wave train. The forecast quality increases substantially if the Rossby wave train is already included in the initialisation data. This suggests that the model has problems in modelling the triggering mechanism of that particular wave train. Representing the data of different model runs with the same leadtime in the same Hovmöller diagram shows that the model is able to produce a reasonable forecast of the wave train up to 6 days of leadtime. This leadtime is well below the life time of the wave train of about 10 days.\r\nThe climatological study shows a positive correlation between the life time of a Rossby wave train and the zonal range this Rossby wave train covers during its life time. For wave trains with a short life time, the correlation between the mean amplitude and the life time is also positive. For longer life times, the mean amplitudes tend to remain constant. A possible explanation for that behaviour is that a certain strengh of the amplitude is needed for the downstream developement of the wave, while for large amplitudes the waves start to break. Breaking is the beginning of the last phase of the life cycle of a Rossby wave train, and thus they usually decay afterwards. Another result of the climatological investigation was the finding of preferred regions of the initialisation and the decay of Rossby wave trains. These regions differ substantially for Rossby wave trains with different minimum life times. Long-lived Rossby wave trains mainly start over the Asian east coast and decay over Europe.\r\nFinally, the novel method is compared systematically to several other methods for the identification and quantification of Rossby wave trains. Apart from the novel method, the comparison includes trough-and-ridge Hovmöller diagrams of the meridional wind, methods that diagnose wave trains as a whole and methods that focus on the physical mechanisms of the evolution of Rossby wave trains. Those methods are applied to a two-month episode in autumn 2008. It turns out that all methods have their individual strengths and weaknesses. Some methods are better suited for the investigation of certain phases of the evolution of Rossby wave trains, while others focus on certain aspects of Rossby wave trains. Combining several methods leads to a more comprehensive picture of a Rossby wave train than a single method can provide. Although all methods are suited for their designed purposes, their results differ substantially. Eventually, it turns out that even the concept of Rossby wave trains depends to a certain degree on the used method.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2028
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-31227
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	130 S.
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