Modifikation von Schwerewellen bei Propagation durch die Tropopause - Idealisierte Modellstudien
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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.