Untersuchungen zum Einfluss erzwungener atmosphärischer Rollenkonvektion in Kaltluftausbrüchen auf den vertikalen turbulenten Transport in der atmosphärischen und der ozeanischen Grenzschicht mittels Large-Eddy Simulationen

Abstract

Wetter und Klima werden signifikant durch den turbulenten Austausch von Wärme, Impuls, Wasser und Spurenstoffen zwischen der Atmosphäre und dem Ozean beeinflusst. Diese Austauschprozesse finden innerhalb der atmosphärischen und der oberen ozeanischen Grenzschicht statt und hängen im Wesentlichen von der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Systemen und den jeweiligen Strömungen ab. Eine typische meteorologische Situation mit großen Temperaturdifferenzen stellen polare Kaltluftausbrüche (KLA) dar, wobei eine kalte und trockene Luftmasse durch einen synoptisch-skaligen Wind von einer eisbedeckten Landmasse über den wärmeren Ozean advehiert wird. Aufgrund einer heterogenen Eiskante ist die Konvektion über dem Ozean typischerweise in Form von Rollen organisiert. Diese Rollen erstrecken sich vertikal über die gesamte Grenzschicht und horizontal über mehrere hundert Kilometer. Die turbulenten Austauschprozesse innerhalb der Grenzschichten können in globalen numerischen Wetter-, Klima- und Ozeanmodellen nicht aufgelöst, sondern müssen parametrisiert werden. Dafür ist ein tieferes Verständnis dieser Prozesse notwendig. Bisherige Studien konnten zwar zeigen, dass Konvektionsrollen einen signifikanten Anteil am vertikalen Transport haben, jedoch nicht, ob dadurch der gesamte turbulente Transport verändert wird. Diese Frage wird in dieser Arbeit mithilfe von Grobstruktursimulationen (engl. Large-Eddy Simulation - LES) untersucht. Im ersten Teil dieser Studie wurden 12 unterschiedliche polare KLA-Situationen simuliert, wobei der synoptisch-skalige Wind und die Ozeantemperatur variierte. Mittels unterschiedlicher Meereisverteilungen konnte für jede KLA Situation jeweils ein Fall mit und ohne Rollen unter denselben meteorologischen Bedingungen simuliert werden. Die Eigenschaften der simulierten Rollen stimmen gut mit beobachteten Konvektionsrollen in KLA überein. Für jeden KLA wurde sowohl die Grenzschichtentwicklung zwischen dem Rollen und Nicht-Rollen Fall verglichen, als auch der Rollenanteil am vertikalen turbulenten Transport analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Rollen einen wesentlichen Anteil am vertikalen Transport haben, aber weder den gesamten Transport noch die Entwicklung der konvektiven Grenzschicht verändern. Dieses konnte für unterschiedliche Wellenlängen der Rollen und auch eine trockene Atmosphäre bestätigt werden. Wie bereits durch Beobachtungen bekannt, modifizieren atmosphärische Konvektionsrollen die Struktur der Meeresoberfläche inklusive der oberflächennahen Flüsse. Darum wurde im zweiten Teil dieser Studie der Einfluss der Konvektionsrollen auf den Ozean untersucht, und ob es ggf. zu Rückkopplungseffekten mit der Atmosphäre kommen könnte. Die Simulationen der oberen ozeanischen Grenzschicht wurden angetrieben durch oberflächennahe Flüsse einer der KLA Simulationen. Dabei wurden Simulationen mit und ohne Rollensignale an der Meeresoberfläche durchgeführt. Die Simulationen mit Rollensignal zeigen, dass eine sehr schwache rollenartige Zirkulation angeregt wird, welche sich über die gesamte ozeanische Grenzschicht erstreckt. Ein Vergleich der Grenzschichtentwicklung zwischen den Simulationen mit und ohne Rollensignal weist keine signifikanten Unterschiede auf. Dieses gilt auch für die Meeresoberfläche, so dass es keinen veränderten Wärme- oder Feuchteeintrag in die Atmosphäre gibt. Dieses Ergebnis konnte auch unter Berücksichtigung der Langmuir-Zirkulation im Ozean bestätigt werden. Diese Studie zeigt, dass atmosphärische Rollen, angeregt durch stromaufwärts gelegene Heterogenitäten, einen wesentlichen Anteil am vertikalen turbulenten Transport haben ohne den Gesamttransport zu erhöhen. Darum müssen solche Rollen nicht in Parametrisierungen globaler Modelle, welche keine großskalige Turbulenz auflösen, gesondert berücksichtigt werden.

Weather and climate are significantly influenced by the turbulent exchange of heat, momentum, water and trace substances between the atmosphere and the ocean. These exchange processes take place within the atmospheric and upper oceanic boundary layer and depend essentially on the temperature difference between the two systems and the respective flows. A typical meteorological situation with large temperature differences are polar cold air outbreaks (CAO), where cold and dry air is advected by synoptic-scale wind from an ice-covered landmass over the warmer ocean. With structured ice edges, the convection over the ocean is typically organized into rolls, which extend vertically across the entire boundary layer and horizontally up to several hundreds of kilometers. The turbulent exchange processes within the boundary layers cannot be resolved in large-scale models, such as global numerical weather, climate and ocean models, and thus must be parametrized. Therefore, a deeper understanding of these processes is necessary. Although previous studies have shown that convective rolls play a significant role for the vertical turbulent transport, it is not clear if the boundary layer rolls affect the total turbulent transport. This question will be investigated in the current study by means of large-eddy simulations (LES). In the first part of this study, 12 different polar CAO situations were simulated, by varying the synoptic-scale wind and the ocean temperature. By means of different sea ice distributions, a case with and without rolls could be simulated under the same meteorological conditions for each CAO situation. The properties of the simulated rolls agreed well with observed convective rolls in CAO. The boundary layer development was compared between the roll and the nonroll case, and the roll contribution to the vertical turbulent transport was analyzed for each investigated CAO situation. Results show that although the rolls make a substantial contribution to the vertical transport, they neither affect the total transport nor the development of the boundary layer. These results could also be confirmed for different roll wavelengths and additionally for a dry atmosphere. As known from observations, atmospheric rolls modify the structure of the sea surface, including the surface fluxes. Therefore, the influence of atmospheric convective rolls on the ocean was investigated in the second part of this study, and, if feedback effects with the atmosphere could occur. For the simulations of the upper oceanic boundary layer, the flow was driven by the near-surface fluxes of one of the CAO simulations, again with and without roll signals at the sea surface. The ocean simulations with a roll signal showed that a very weak roll-like circulation is induced, which extends over the whole oceanic boundary layer. A comparison between the simulations with and without roll signals at the sea surface showed no significant differences in the boundary layer development of the ocean. This also applies to the sea surface, so that there is no feedback on the atmosphere in the form of a changing heat or moisture input. This result was also confirmed by considering the Langmuir circulation. The results of this study showed that atmospheric rolls triggered by upstream heterogeneities contribute substantially to the vertical turbulent transport, without increasing the total transport. Therefore, such rolls do not have to be considered in parametrization schemes of large-scale models, as long as these models do not resolve such large-scale turbulence.