Thermische Gezeiten als grundlegender Kopplungsprozess in der Atmosphäre

1. Thermische Gezeiten als grundlegender Kopplungsprozess in der Atmosphäre SDT TDT DT Beteiligte am IAP: N. Grieger, U. Achatz, G. Schmitz und B. Wecke Partner: H. Schmidt (ZMAW, Hamburg) Jahresgang der Gezeiten: Ausbreitung / Anregung / planetare Wellen Einleitung und Motivation DW1 97.6 DW2 97.6 SW2 97.6 SW1 97.6 TW3 108.6 • Motivation: • Klimasimulationen: Modelle mit hoher vertikaler Auflösung und hohem oberen Rand • - quasi-zweijährige Oszillation (QBO), Vermeidung Reflexion planetarer Wellen, • - Schließung der Zonalwind-Strahlströme in der Mesosphäre (Zirkulationsumkehr) • infolge Gezeiten- und Schwerewellen-Impulsdeposition • - globale Gezeitenausbreitung kann direkt (linear) beschrieben werden, Einfluss von • Schwerewellen (kleinskalige) im wesentlichen durch Parametrisierung erfasst • Anregung thermischer Gezeiten (24-, 12-, 8-stündige Komponente) durch solare Einstrahlung • und thermische Umwandlungsprozesse in der feuchten Atmosphäre, • Ausbreitung mit zunehmender Amplitude bis in die Thermosphäre, dort Brechung und • Impulsdeposition • ganztägige Gezeiten in Zirkulationsmodellen (GCM) und in linearem Modell LIN-KMCM • vergleichbar mit Beobachtungen, Achatz et al. (2007) • Fragen: • 1. welche Prozesse bestimmen die jahreszeitliche Variation der 24-, 12-, 8-h Gezeit und • 2. in welchem Maße sind (tiefe) atmosphärische Schichten über Gezeiten bis in • die Mesosphäre und unteren Thermosphäre (MLT) gekoppelt? • Methode: • lineare Gezeitenausbreitung in längenabhängigem Hintergrund, Modell: LIN-KMCM, • Grieger et al. (2004), monatsgemittelte Anregung und u-, v-, T-Felder aus GCM • HAMMONIA, Schmidt et al. (2004) Jahresgang der Amplitudender migrierenden und einer nichtmigrierenden Gezeitenkomponente für s = 1,2,3 (DW1, SW2, TW3 und DW2, SW1) im meridionalen Wind v [m/s] für 97,6 km und 108,6 km, Fälle: WIND (Anregung konstant), FORCING (ALL-WIND) sowie WAVES (ALL-WIND(zonal)) und relatives Amplitudenintegral (spezieller Fall / ALL, unten) [%]: migrierende Komponente - dunkel, nichtmigrierende - hell ALL FORCING WIND WAVES (5) (2) (5) (2) (1) (5) (2) (5) (2) (1) LATITUDE [DEG] (75S – 75N) (5) (2) (5) (2) (1) (2) (2) (1) (2) (.1) TIME [MONTH] • Jahresgang charakterisiert durch halbjährige (SAO) und • ganzjährige Schwingung (AO) • s = 1: SAO maximal im Frühjahr, Herbst in tiefen Breiten • s = 2: SAO maximal im Sommer, Winter in hohen Breiten • SAO bestimmt durch Ausbreitung (WIND) (wesentlich: Krümmungsterm) • AO abhängig von Ausbreitung (Vorticity Term) und Anregung • Anregung (FORCING) beeinflusst Jahresgang stärker • mit zunehmendem s • planetare Wellen (WAVES) wesentlich für die nichtmigrierenden • Komponenten FORCING WIND WAVES • Ergebnisse • Ausbreitungsbedingungen (WIND) bestimmen Jahresgang ganz- und halbtägiger Gezeit (s = 1, 2) • Anregung (FORCING) wichtig für 8-h Gezeit (s = 3) und nichtmigrierende Komponenten • Planetare Wellen beeinflussen nichtmigrierende Gezeiten • troposphärische Gezeitenanregung (TRO) bestimmt Struktur der ganztägigen Gezeit (s = 1) • Interferenz zwischen statosphärischer und troposphärischer Anregung (STR, TRO) • steuert migrierende ganz- und halbtägige Gezeit (s = 1, 2) • Kondensation und Konvektion (CON) wesentlich für Kopplung zwischen Tropo- und Mesosphäre Vertikale Schichtenkopplung durch Gezeiten TW3 108.6 DW1 97.6 DW2 97.6 SW2 97.6 SW1 97.6 0 100 0 100 0 100 Jahresgang der Amplituden für die im Bild totale Erwärmungsraten definierten Anregungsbereiche bei gleichen Ausbreitungsbedingungen. ALL, TH, MA und STR: vollständige, thermosphärische, Anregung in der mittleren Atmosphäre und stratosphärische Anregung. TRO: solare Heizung in der Troposphäre ohne groß- räumige Kondensation und Konvektion (CON) und relatives Amplitudenintegral(siehe oben), positive (negative) Koppelung: grob (fein) punktiert RELATIVE IMPORTANCE [%] ALL TH MA STR TRO CON (5) (2) (5) (1) (2) (1) (.2) (1) (1) (1) (.5) (5) (1) (.5) (2) LATITUDE [DEG] (75S – 75N) (5) (2) (1) (2) (5) SDT TDT DT (2) (5) (2) (5) (1) TH MA STR TRO CON DW1 SW2 TW3 (1) (5) (2) (2) (1) FORCING LEVEL TIME [MONTH] (5) (5) (1) • Vertikale Kopplung: Tropo- / Stratosphäre – MLT • ganztägige Gezeit, s = 1, wesentliche Anregung in TRO • halbtägige Gezeit, s = 2, wesentliche Anregung in TRO • und STR • 8-stündige Gezeit, s = 3, wesentliche Anregung in STR • CON beeinflusst nichtmigrierende Komponente s = 1,2,3 und • migrierende Komponente s = 1,2 • TH und MA mit geringem Einfluss auf Gezeiten in MLT • starke Interferenz TRO (-) / STR (+) für s = 2, 3 • Interferenz TRO (+) / STR (-) für s = 1 DT SDT TDT TH MA STR TRO/ CON 0 100 0 100 200 0 100 (20) (20) (10) (0 – 120) ALTITUDE [KM] (60 – 120) RELATIVE IMPORTANCE [%] (2) (2) (1) Definitionen Veröffentlichungen Achatz, U., N. Grieger and H. Schmidt, 2007: Mechanisms controlling the diurnal solar tide: analysis using a GCM and a linear model. J. Geophys. Res., (in Vorbereitung) Grieger, N., G. Schmitz and U. Achatz, 2004: The dependence of the nonmigrating diurnal tide in the mesosphere and lower thermosphere on stationary planetary waves. J. Atmospheric and Solar-terrestial Physics, 66, 733-754, doi:10.1016/j.jastp.2004.01.022 Grieger, N., E. V. Volodin, G. Schmitz, P. Hoffmann, A. H. Manson, D. C. Fritts, K. Igarashi and W. Singer, 2002: General circulation model results on migrating and nonmigrating tides in the mesosphere and lower thermosphere. Part I: comparison with observations. J. Atmospheric and Solar-terrestial Physics, 64, 897-911 Schmidt, H., G. P. Brasseur, M. Charron, E. Manzini, M. A. Giorgetta, V. Formichev, D. Kinnison, D. Marsh and S. Walters, 2006: The HAMMONIA Chemistry Climate Model: Sensitivity of the mesopause region to the 11-year solar cycle and CO2-doubling. J. Climate, 19, 3903-3931 (.5) (.5) (.25) X steht für u, v, T (hier nur v) mit Amplituden A (C, S), Phase f, t Zeit [d], l geografische Länge, n zonale Wellenzahl, s Periode (1: 24 h, 2: 12 h, 3: 8 h), n = s migrierende, n s nichtmigrierende Komponente LATITUDE [DEG] (90S – 90N)  Struktur und Anregung der Gezeitenkomponenten Amplituden (C), Jan., s = 1, 2, 3 (DW1, SW2, TW3) im meridionalen Wind v [m/s], migrierende Gezeit (oben) - Wellenlängen: 27 km, s = 1, 20 N/S, 52 km, s = 2, 50 N/S und (unten) totaleErwärmungs- raten in 60 W für s = 1, 2, 3 (DT, SDT, TDT) [K/d], Schichteneinteilung (Klammerwerte bezeichnen Schrittweiten der Isolinien)