Forschergruppe (FOR) 1898: Mehrskalendynamik von Schwerewellen, Spontanes Ungleichgewicht (SI)

Description: Schwerewellen (GWs) sind zu kleinskalig, um in den heutigen Wetter- und Klimamodellen aufgelöst zu werden. Sie müssen daher parametrisiert werden, da sie einen starken Einfluss auf die Dynamik der großen Skalen haben. Parametrisierungen existieren für orographisch und konvektiv erzeugte GWs, während für die GW-Quellen entlang großskaliger Jets noch keine etablierte Parametrisierung vorliegt. Die Quellen resultieren aus einer spontanen Imbalance (SI) der großskaligen quasi-geostrophischen Strömung. Die Untersuchung von Schwerewellenabstrahlung durch SI ist schwierig, da die GWs in ein sehr komplexes zeitabhängiges Strömungsfeld eingebettet sind, mit einer großen Zahl von interagierenden Prozessen. Auch die Validierung von Parametrisierungen wird dadurch erschwert. Daher kombinieren wir Theorie und numerische Modellierung mit ergänzenden Laborexperimenten. Laborexperimente garantieren eine Reproduzierbarkeit der betrachteten großskaligen Strömungssituation. Die direkte Korrespondenz zwischen den experimentellen Daten und den Modelldaten und die erwähnte Reproduzierbarkeit machen das Laborexperiment zu einem idealen Prüfstand für Parametrisierungen und für die Untersuchung klimarelevante Prozesse. Das differenziell beheizte rotierende Zylinderspalt-Experiment, welches an der BTU (Brandenburg Technische Universität Cottbus-Senftenberg) aufgebaut und betrieben wird, stellt die Referenzdaten für Benchmark-Simulationen an der GU-F (Goethe Universität Frankfurt) und dem IAP (Leibniz Institut für Atmosphärische Physik, Kühlungsborn) bereit. Dabei stehen Experimente im Vordergrund, die zeigen sollen, welche baroklinen Strömungen eine besonders ausgeprägte GW-Abstrahlung aufweisen. Ergänzend dazu werden idealisierte numerische Simulationen an der GU-F und dem IAP durchgeführt, um die Variabilität der GWs und den Abstrahlungsprozess zu untersuchen. Wichtig ist dabei, einen Zusammenhang zwischen verschiedenen großskaligen Strömungen und der mesoskaligen GW-Quelle herzustellen und diesen Zusammenhang mittels grob aufgelöster Wellenstrahlenmodelle zu validieren. Ziel ist es, eine skalenabhängige SI-Parametrisierung zu konstruieren. Diese Parametrisierung soll mit Hilfe der Labor-Referenzdaten validiert werden. Begleitet wird dies von einer Analyse grob- und feinaufgelöster Daten aus UA-ICON Simulationen. Schließlich soll die Parametrisierung an das Wellenstrahlenmodell MS-GWaM angekoppelt werden, welches in UA-ICON implementiert ist.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Brandenburg ? Klimatologie ? Meteorologie ? Orographie ? Physik ? Strahlung ? Atmosphärische Wissenschaften ? Klimamodell ? Modellversuch ? Simulation ? Strömungsfeld ? Laborversuch ? Modellierung ? Benchmarking ? Atmosphäre ? Datenerhebung ? Wetter ? Atmosphärische Zirkulation ? Klimadaten ? Turbulenz ? Hochschule ? Prüfstand ?

Region: Hessen

Bounding boxes: 9° .. 9° x 50.55° .. 50.55°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Brandenburgische Technische Universität (BTU) Cottbus-Senftenberg, Fakultät 3, Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik, Energiesysteme, Institut für Elektrische und Thermische Energiesysteme (Mitwirkung)
• Deutsche Forschungsgemeinschaft (Finanzielle Förderung)
• Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main, Institut für Atmosphäre und Umwelt (Projektverantwortung)
• Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik e.V. an der Universität Rostock (Mitwirkung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)

Time ranges: 2014-01-01 - 2025-08-17

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Spontaneous Imbalance (SI)
  Description: Gravity waves (GWs), spatially often too small to be resolved by present day weather and climate models, need to be parameterized since they have a profound effect on the large scales. While several flow-dependent parameterizations for the radiation of GWs from orographic and convective sources do exist, the situation is less developed for waves emitted from large-scale baroclinic flows. This source of GWs is related to spontaneous imbalance (SI), i.e. the spontaneous breakdown of balance in a supposed quasi-geostrophic flow that in consequence radiates GWs. Studying spontaneous GW emission and validating parameterization schemes is challenging due to the fact that GWs will always be embedded in the complex frontal flow with a large number of interacting processes. Therefore, we combine theory and numerical modelling with complementary laboratory experiments. The latter guarantee the full repeatability of the large-scale flow situation under consideration. The direct correspondence between experimental and model data and the data reproducibility makes the lab experiment a powerful testing environment for parameterizations and climate related processes. The differentially heated rotating annulus experiment, built and conducted at BTU (Brandenburg Technische Universität Cottbus-Senftenberg) provides the necessary reference data for benchmarks of model simulations at GU-F (Goethe Universität Frankfurt) and IAP (Leibniz Institute for Atmospheric Physics, Kühlungsborn). We will focus on experimentally delineating preferred conditions for the occurrence of SI and relevant background flow properties for the atmosphere-like big tank. Complementary, an efficient description of GW variability and the related spontaneous emission process will be developed by GU-F and IAP, using idealized simulations. Core issue here is the identification of a useful relationship between the large-scale flow and the source of meso-scale GWs, and the validation of this approach in self-consistent coarse-resolution ray-tracing simulations. The goal is to construct a resolution-dependent SI parameterization. This source parameterization identified from model data will be validated against the annulus experiment at BTU. This will be accompanied by an analysis of UA-ICON simulations with high and low resolution. Finally, the parameterized GWs will be coupled to the ray-tracing GW model MS-GWaM in UA-ICON. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1073581

Status

Aktiv

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