Authors:	Bense, Vera
Title:	Modifikation von Schwerewellen bei Propagation durch die Tropopause - Idealisierte Modellstudien
Online publication date:	31-Oct-2019
Year of first publication:	2019
Language:	german
Abstract:	Atmosphärische Schwerewellen werden durch Anregungen in der Vertikalen, entgegen der Wirkungsrichtung der Schwerkraft, hervorgerufen. Auslöser solcher Vertikalbewegungen in der Luftströmung können unter anderem Gebirge, konvektive Ereignisse oder Frontalsysteme sein. Damit liegt ein Großteil der Quellen für Schwerewellen in der Troposphäre. Breiten sich die Wellen nach oben aus, so durchwandern sie atmosphärische Schichten unterschiedlicher Eigenschaften, wobei die Tropopausenregion eine zentrale Rolle spielt. Mit der Umkehr des vertikalen Temperaturgradienten geht dort eine starke Änderung der statischen Stabilität einher und der Horizontalwind zeichnet sich durch große vertikale Windscherungen aus. Sowohl die statische Stabilität als auch Windscherungen sind entscheidende Größen für die Ausbreitung von Schwerewellen, sodass die Tropopausenregion als ein Filter oder Modulator für Wellen wirken kann, wenn diese dort reflektiert werden, mit veränderter Wellenlänge weiter propagieren oder brechen. All diese Prozesse, insbesondere auch das Wellenbrechen bei abnehmender Dichte in noch größeren Höhen, sind entscheidend für den atmosphärischen Energie- und Impulstransport und damit für das Verständnis der globalen Zirkulation. Die Propagation von Schwerewellen durch die Tropopausenregion wird in dieser Arbeit mithilfe von hochaufgelösten, idealisierten Simulationen betrachtet. Im ersten Ergebnisteil wird die Entwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung von Transmissionskoeffizienten vorgestellt, in dem die Anregung von Wellen aus zeitabhängigen Umgebungszuständen innerhalb einer Dämpfungsschicht am Modellunterrand erfolgt. Damit lässt sich die Propagation von Wellen ohne Mehrfachreflexionen in der Troposphäre simulieren. Die Untersuchung verschiedener Stabilitätsprofile zeigt dabei das Auftreten von Wellentunneln durch Schichten reduzierter Stabilität, sofern diese Schichten dünn genug sind und behandelt außerdem die deutliche Reduktion der Transmission bei Vorhandensein einer Tropopauseninversionsschicht. Der zweite Ergebnisteil zeigt Analysen dazu, wie sich die simulierte Änderung der Wellenlängen bei Propagation durch eine Tropopausenschicht mit Gradienten in Stabilität und Windscherung im Vergleich zu den von linearer Theorie prognostizierten Wellenlängen verhält. Eine Studie behandelt hier beispielsweise, wie ein Strahlstrom variierender Stärke unterhalb der thermischen Tropopause die Propagation von Wellen beeinflusst und zeigt, dass bei großer Windscherung lange Wellen weiter in die Stratosphäre propagieren. Eine detaillierte Untersuchung einer Tropopauseninversionsschicht ist Bestandteil des dritten Ergebnisteils. Hier wird betrachtet, wie sich Schichtdicke und Inversionsstärke auf die Wellentransmission auswirken. Für einen Teil des Wellenspektrums, insbesondere bei kleinen Wellenlängen, zeigt sich, dass die Schichtdicke einen deutlich größeren Einfluss auf die Stärke der Transmission hat als die Inversionsstärke. Es werden hier drei verschiedene Modelle miteinander verglichen, denen unterschiedliche Annahmen zugrunde liegen. Ausgehend von Situationen, die bei Messungen von Schwerewellen interessante Fragen aufwarfen, werden im vierten Ergebnisteil die jeweils herrschenden meteorologischen Bedingungen auf stark idealisierte Simulationen übertragen und Teilaspekte der Wellenausbreitung betrachtet. Ein Vergleich verschiedener Wellenlängen zeigt hier in einem Fall in Übereinstimmung mit den Auswertungen der Messungen nahezu lineare Propagation durch die Tropopause, während in einem anderen Fall die Anregung sekundärer Wellen aus einer kritischen Schicht beobachtet werden kann. Dieses Phänomen tritt für unterschiedliche Wellenlängen und Amplituden auf. Atmospheric gravity waves are excited through vertical movement, against the direction of gravity. Causes of such motions can be air flowing over mountains, convective events or frontal systems. A major part of gravity wave sources is located in the troposphere. When such waves travel vertically, they cross atmospheric layers of different characteristics, however, the tropopause region plays a key role. Here, the reversal of the vertical temperature gradient is attended by strong alterations of static stability and the horizontal wind exhibits strong vertical shear. Both the static stability as well as wind shear are critical quantities for determining how gravity waves propagate. This means that the tropopause can act as a filter or as a modulator on waves when they are reflected, continue propagating with a modified wavelength or break in the tropopause region. These processes as well as gravity wave breaking in higher altitudes due to density decrease are crucial for the redistribution of energy and momentum in the atmosphere and therefore for the fundamental understanding of the global circulation. Within this work, idealized high resolution numerical simulations are used to study gravity wave propagation across the tropopause region. The first chapter presents the development of a method to calculate transmission coefficients. The waves are excited through time-dependent environmental states inside an absorbing layer at the model bottom. This allows for the simulation of wave propagation without multiple reflexions inside the troposphere. Several stability profiles are studied and wave tunneling through layers of reduced stability can be observed, as long as these layers are adequately thin compared to the wavelength. Another comparison shows that the transmission is significantly reduced in the presence of a tropopause inversion layer. The second chapter shows waves propagating across a tropopause layer with gradients in stability and wind shear and how the simulated changes in wavelength compare to the wavelength prognosed by linear theory. One study examines how a jet stream of varying strength located below the thermal tropopause affects wave propagation. It can be shown that long waves propagate deep into the stratosphere in the presence of a large wind shear. A detailed investigation of a tropopause inversion layer is presented in the third chapter. The focus there is on how the depth of the layer and the strength of the inversion affect wave transmission. These two parameters are varied independently. For a part of the wave spectrum, namely small wavelengths, the depth of the tropopause region has a much larger influence on the transmission than the strength of the inversion. Three models with different underlying assumptions are compared. Relating to measurements of gravity waves that raised interesting questions, aspects of wave propagation are studied in the forth chapter. The meteorological conditions that were present during measurements are transferred as environmental conditions to idealized simulations. A comparison of several wavelengths shows quasi-linear propagation across the tropopause, in agreement with the evaluation of the measurements. Another case exhibits a critical layer where the excitation of secondary waves can be observed. This phenomenon is found to be persistent for various wavelengths and amplitudes.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics
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-2356
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000031409
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	ix, 150 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen