Edilbert Kirk, Frank Lunkeit, Frank Sielmann, Klaus Fraedrich

Das vereinfachte atmosphärische Zirkulationsmodell SGCM wurde zusammen mit dem Department of Meteorology der University of Reading weiterentwickelt. Das Modell beschreibt die atmosphärische Dynamik und vereinfacht die adiabatischen Prozesse. Das daraus entstandene PUMA (Portable University Model of the Atmosphere) wird für dynamische Analysen eingesetzt und dient zur Ausbildung im Studium.

Klimatologie von PUMA

Frisius, T., F. Lunkeit, K. Fraedrich, and I. N. James, 1998: Storm track organization and variability in a simplified atmospheric global circulation model. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 124, 1019-1043.

Abstract:

A storm track is simulated in a coarse resolution multilevel primitive equation model with linear surface friction and heating terms. A restoration temperature distribution consisting of a dipole embedded in a zonally symmetric profile forces the model to simulate the surface heating. Three simulations with different dipole orientation are performed to test the sensitivity of storm track organization to the external forcing field. The climatological time-mean circulation and the transient disturbances of the reference simulation agree well with observations of Northern Hemisphere wintertime storm tracks. Local energetics show that baroclinic instability is responsible for the enhanced eddy kinetic energy downstream of the jet and the downstream end of the storm track results from the barotropic conversions of eddy kinetic energy to the time-mean flow.

Low frequency fluctuations with a period of about 50 days associated with a retrograding large-scale wave pattern are identified by a complex EOF analysis of the vertically averaged streamfunction. A composite life cycle of the low frequency variability reveals the growth and decay of a blocking anticyclone downstream of the storm track. A cyclogenesis initiated by an eastward propagating wave train is observed a few days before the amplitude of the low frequency anomaly attains its peak. The net forcing of the high frequency eddies contributes to the growth and decay of the blocking anticyclone. The results suggest that the occurrence of the blocking-like event is part of the storm track dynamics.

Frisius, T., 1998: A mechanism for the barotropic equilibration of baroclinic waves. J. Atmos. Sci., 55 , 2918-2936.

Die Entwicklung von baroklinen Wellen bis zur Beendigung der baroklinen Wachstumsphase (Equilibration) ist Gegenstand der aktuellen Forschung. Die Equilibration kann im wesentlichen durch drei nichtlineare Mechanismen verursacht werden:

1. Erniedrigung des horizontalen Temperaturgradienten aufgrund horizontaler Temperaturflüsse
2. Erhöhung der statischen Stabilität aufgrund vertikaler Temperaturflüsse (nichtgeostrophisch)
3. Erhöhung der horizontalen Windscherung aufgrund horizontaler Impulsflüsse

Alle drei Effekte sind von Bedeutung für die Dynamik von atmosphärischen baroklinen Wellen. Der Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung des Mechanismus (c). Dazu wurden mit einem quasigeostrophischen Zweischichtenmodells Simulationen von baroklinen Wellenlebenszyklen durchgeführt. In diesem Modell können drei Strömungssymmetrien voneinanderunterschieden werden. Die Simulationen zeigen, daß die Symmetrieeigenschaft der Anfangsströmung eine starke Auswirkung auf die nichtlineare Entwicklung der baroklinen Welle haben kann. Die Symmetrie mit vertikal antisymmetrischer Strömung im zonalen Mittel (zonokline Symmetrie) erlaubt nur eine Equilibration durch den Mechanismus (a), da barotrope Scherströmungen nicht auftreten können. Das führt zu einem symmetrischen Lebenszyklus mit barokliner Wachstums- und Zerfallsphase. Wird diese Symmetrie durch eine kleine Anfangstörung gebrochen, so kann in der Equilibrationsphase die Ausbildung einer barotropen Scherströmung stattfinden, wonach ein barotroper Zerfall der baroklinen Welle erfolgt. Dabei wird die Energie der Welle nahezu komplett in die kinetische Energie der barotropen Scherströmung umgewandelt, die den zonalen Grundstrom effektiv stabilisiert (Barotropic Governor Effekt). Es wurde mit einer Normal Mode-Analyse nachgewiesen, dass dieses Verhalten durch eine sekundäre Instabilität der baroklinen Welle bezüglich eines symmetrie-brechenden Modes ausgelöst wird. Diese Welleninstabilität ist im wesentlichen barotrop und verstärkt sich mit abnehmender zonaler Wellenlänge bei gleichbleibender meridionaler Erstreckung. Diese Ergebnisse verdeutlichen die Rolle von sekundären Instabilitäten für die nichtlineare Dynamik von baroklinen Wellen.

Philip Sura

Das Modell REDOC ist ein vereinfachtes Ozeanmodell, das die windgetriebene Zirkulation simuliert. Ein Zweischichten-Modell, das den barotropen und den ersten baroklinen Mode simuliert, wird durch die Reduced-Gravity-Approximation vereinfacht. Dabei wird ausgenutzt, daß die untere Schicht des Ozeans viel mächtiger ist als die darüber liegende und daher als bewegungslos angenommen werden kann.  Das Modell REDOC dient prinzipiellen Studien der windgetriebenen Zirkulation der mittleren Breiten.

Mittlere Anomalie der Thermokline bei klimatologischem Windstress (in [m])