PANDOWAE-ET Unterprojekt:
"Untersuchung des Einflusses tropischer Wirbelstürme auf die Strömung der
mittleren Breiten in hochauflösenden numerischen Modellrechnungen"
Christian M. Grams und Sarah C. Jones
christian.grams@imk.uka.de
1. Einführung und Motivation
Tropische Wirbelstürme, die polwärts ziehen, zeigen oft eine Wechselwirkung mit der Strömung der mittleren Breiten und können sich in ein außertropisches Tiefdruckgebiet umwandeln. Dieser Prozess wird als außertropische Umwandlung (ET) bezeichnet. Das Auftreten eines Tropischen Wirbelsturmes der eine ET durchläuft ist mit niedriger Vorhersagbarkeit des Wettergeschehens im Bereich Atlantik-Europa und Nordwest-Amerika verbunden. In einer Vielzahl neuerer Fallstudien wurde das Auslenken eines Rossby-Wellenzuges bestehend aus einem Trog stromauf, einem Rücken stromab und einem weiteren Trog weiter stromab nachgewiesen. Gelegentlich wandelt sich der tropische Wirbelsturm selbst in eine starkes außertropisches Tiefdruckgebiet um. Sowohl die Fernwirkung durch das Auslösen eines Rossby-Wellenzuges alsauch ein vollständig umgewandelter Sturm kann zu Extremwetterereignissen in den mittleren Breiten führen. Dabei sind die physikalischen Prozesse, die während der ET eines Hurrikanes im Atlantik und eines Taifuns im Pazifik ablaufen ähnlich. In dieser Arbeit werden die dynamischen Mechanismen untersucht, die zum Einfluss der ET auf die Strömung stromab verantwortlich sind.
2. Methoden
COSMO Modell
Numerische Modellrechnungen mit dem hochauflösenden numerischen Wettervorhersagemodell COSMO (Consortium for Small-scale Modeling) (http://www.cosmo-model.org/) sind das Hauptwerkzeug dieser Untersuchungen. COSMO ist ein nicht-hydrostatisches regionales Wettervorhersagemodell, welches für die meso-beta (5-50km) und meso-gamma (500m-5km) Skala konzipiert wurde. Wir benutzen COSMO mit horizontalen Auflösungen zwischen 28km (0.25°) und 2,8km (0.025°). In unserer Standardkonfiguration werden 51 vertikale Schichten verwendet.
PV Inversion
Die COSMO-Modell-Daten werden mit verschiedenen diagnostischen Methoden analysiert. Potentielle Vorticity (PV) ist eine wesentliche Größe für die Untersuchung von ET. Die am ET-Prozess beteiligten Teilsystemen können einfach durch ihre charakteristische PV Struktur identifiziert werden. Die Erhaltungseigenschaft von PV ermöglicht es diese Teilsysteme leicht zu verfolgen. Der Kern eines tropischen Wirbelsturms ist mit einer starken positiven PV-Anomalie verbunden. Oberhalb des Sturms kennzeichnet ein Gebiet mit geringer oder negativer PV das Ausströmen des Sturms. Während der ET führt latente Wärmefreisetzung durch Kondensation im Warmsektor zu einer weiteren positiven PV-Anomalie in den unteren Schichten. In den oberen Schichten zeichnet sich der Übergang zu den gemäßigten Breiten durch einen scharfen PV Gradienten mit hohen (stratopshärischen) Werten an der polaren Seite aus. Hier befindet sich der Strahlstrom und Auslenkungen führen in der mittleren und oberen Troposphäre zu Trögen (positive PV-Anomalie) und Rücken (negative PV-Anomalie) (sog. Rossby-Wellenzüge) . Das Inversionsprinzip von PV ermöglicht es, die mit dem PV-Feld verbundenen Strömungs- und Temperaturfelder zu berechnen. Wir verwenden einen Algorithmus, der nicht-lineare Balance annimmt. Stückweise PV Inversion wird es ermöglichen die mit den einzelnen Teilsystemen verbundenen balancierten Wind- und Temperaturfelder zu bestimmen und damit ihren Beitrag zu den gesamten Strömung zu quantifizieren.
Figure 1: Schematic sketch of PV-anomalies during the ET process. See text for details.
Darüberhinaus wird der großskalige Einfluss auf ein ET-System mit Hilfe eines Werkzeugs untersucht, welches die Bestimmung des quasigeostrophischen Antriebs für Vertikalbewegung ermöglicht. Ein anderes sehr wichtiges Werkzeug zur Untersuchung der genauen Struktur der am ET-Prozess beteiligten Wettersysteme stellen Trajektorienberechnungen und die Verfolgung meteorologischer Größen entlang der Trajektorien dar.
3. Die Messkampagne T-PARC
T-PARC (THORPEX Pacific Asian Regional Campaign) ist ein multinationales Feldmessexperiment, in welchem die Dynamik von Wettersystemen untersucht wurde, die zu Extremwetterereignissen in Ostasien, im westlichen Nordpazifik und weiter stromab im Nordpazifik und Nordamerika führen. Der Hauptbeobachtungszeitraum war vom 1. August 2008 bis 30 September 2008. Ein Hauptziel dieser Intensivmessphase war die Beobachtung des gesamten Lebenszyklus eines tropischen Wirbelsturms: Von der Entstehung über die Verstärkung, den Strukturwandel bis hin zur außertropischen Umwandlung. Mit großem Aufwand kamen zahlreiche Messgeräte in dem riesigen Untersuchungsgebiet zum Einsatz. Der koordinierte Einsatz von verschiedenen Beobachtungsplatformen ermöglichte es einen einzigartigen Datensatz über die verschiedenen Stadien pazifischer Tropischer Wirbelstürme zu sammeln. Von Seiten der numerischen Modellierung standen zahlreiche spezielle Vorhersageprodukte von Ensemble- und Globalmodellen zur Verfügung.
Wir haben zur Unterstützung von T-PARC am Steinbuch Centre for Computing (SCC) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Wetterdienst (DWD) tägliche Wettervorhersagen mit dem mesoskaligen COSMO Modell geliefert. Durch unterschiedliche Gebiete, horizontale Auflösungen, Antriebsmodelle und Startzeitpunkte war es möglich eine Art mesoskaliges "Miniensemble" mit bis zu 16 Vorhersagen pro Tag zu liefern.
Figure 2: Domain of experimental COSMO-T-PARC forecasts. The red and blue boxes show examples of the one-way nesting domains. The shading indicates model orography in metres above mean sea level.
4. Erste Fallstudie: Die Wechselwirkung von Taifun Jangmi (2008) mit dem Strahlstrom der mittleren Breiten.
Während T-PARC zeigten die COSMO Vorhersagen eine deutliche Wechselwirkung des Ausströmens von Taifun Jangmi mit dem Strahlstrom der mittleren Breiten. Diese Wechselwirkung bestätigte sich in den Messdaten und in den Modellanalysen. Als sich der Taifun den mittleren Breiten annäherte, lenkte sich der Strahlstrom weiter nach Süden in Richtung des Ausströmens aus und die Windgeschwindigkeit im Kern des Strahlstroms erhöhte sich.
Figure 3: Mean sea level pressure (black contours, with a 4 hPa contour interval), wind vectors (black), and wind speed (shaded, with a 10kn contour interval starting at 20kn) at 200hPa at 00UTC 29/09/2008 (left) and 12UTC 30/09/2008 (right). Data from 0.25° COSMO-GME forecast initialised at 00UTC 29/09/2008.
Daher stellt sich die Frage, welchen Beitrag Jangmi zur Veränderung der Struktur des Strahlstroms leistete. In dieser ersten Fallstudie werden Analysewerkzeuge zur Untersuchung der Ausströmungs-Strahlstrom Wechselwirkung von Taifun Jangmi entwickelt und angewendet.
Das Feld der potentiellen Vorticity zeigt, dass ein neuer PV Turm an der baroklinen Zone am Übergang zu den mittleren Breiten entsteht. Dieser entsteht aufgrund des starken Freiwerdens latenter Wärme und unterstützt das Aufrechterhalten des Ausströmens in den Strahlstrom in der oberen Troposphäre. Diese neue PV-Anomalie bleibt in den COSMO Vorhersagen bestehen, wohingegen sich die Anomalie, die mit dem ehemaligen Kern des Wirbelsturms verbunden war, auflöst. Im weiteren Verlauf ist die neue PV Anomalie mit einer Bodenzyklogenese verbunden. Satellitenbilder bestätigen dieses Entwicklungsszenario.
Figure 4: 3D view at 12UTC 30/09/2008. Contour of 2PVU (blue-green), Contour of horizontal wind speed (grey 60ms-1) indicating the jet, θv in K (shaded) and geopotential (black contours) at 1000 hPa. Trajectories calculated backward over 36h from a box in the jet core region at 12UTC 30/09/2008.
Rückwärtstrajektorien, die für ein Zeitintervall von 36h zurück und aus einem Gebiet im Kern des Strahlstroms gerechnet wurden, zeigen, dass Jangmi tropische Luft aus den unteren und mittleren Schichten in den Kern des Strahlstroms lenkt. Die Trajektorien zeigen auch, dass die zonale Strömung über dem Gelben Meer in den Strahlstrom abgelenkt wird. Ein genauerer Blick auf die Trajektorien zeigt drei typische Wege, entlang welcher Aufsteigen stattfindet: 1. Die Luft, die am frühesten das Jet-Niveau erreicht, stammt aus mittleren Schichten (über 500 hPa) in der Nähe des mit dem Kern von Jangmi verbundenen PV-Turms. 2. Neutrales Aufsteigen innerhalb der mit dem neuen PV-Turm verbundenen Konvektion an der baroklinen ermöglicht die Hebung von Luft aus mittleren (unter 500 hPa) und unteren Schichten bis in das Niveau des Strahlstroms. 3. Weiter erreichen Luftmassen das untere Jet-Niveau durch langsames Aufgleiten entlang der (Feucht) Isentropen. Die verschiedene Hebungspfade werden auch in Querschnitten der potentielle Temperatur, des Windes und der PV durch die Reste von Jangmi, den neuen PV-Turm bis in den Strahlstrom deutlich (nicht gezeigt). Die Isentropen zeigen auch einen möglichen Mechanismus zur Erklärung des Anstiegs der Windgeschwindigkeit im Kern des Strahlstroms auf. Die Neigung der (Feucht-) Isentropen ermöglicht einen adiabatische Transport von Luft in die Strahlstrom. Der direkte Massentransport in den Strahlstrom, verbunden mit immer dichter werdenden Isentropen muss zu einer Beschleunigung führen.
Die Ergebnisse einer ersten PV Inversion stimmen mit den bisherigen Ergebnissen überein. Verglichen mit dem gesamten Windfeld liegt der balancierte (nicht-divergente) Strahlstrom zwar etwas weiter im Osten und ist schwächer. Das nicht-balancierte (divergente) Windfeld zeigt jedoch starke Divergenz im Jet-Niveau genau dort, wo der neue PV-Turm eingezeichnet ist. Ein Maximum der unbalancierten Windgeschwindigkeit liegt dort, wo wir eine Beschleunigung des Strahlstroms im gesamten Windfeld und die Auslenkung in Richtung des Ausströmens von Jangmi sehen.
5. Ausblick
Einige Messflüge mit dem deutschen Forschungsflugzeug DLR-Falcon während der ET von Taifun Jangmi sind auf Grundlage der COSMO T-PARC Vorhersagen durchgeführt worden. Gegenwärtig werden diese und andere T-PARC Messdaten zusammen mit den Modelldaten ausgewertet um ein noch detaillierteres Bild der ET von Jangmi zu erreichen.
Weiter wird die stückweise PV Inversion dabei helfen die Bedeutung der Struktur des tropischen Wirbelsturms und der Struktur der Strömung der mittleren Breiten für die Modifizierung des Strahlstroms während der außertropischen Umwandlung zu bestimmen. Die stückweise PV Inversion wird auch dabei helfen zu klären ob Jangmi die außertropische Zyklogenese etwas stromab, die in ECMWF Analysen erkennbar ist, beeinflusst hat oder nicht. In zukünftigen Fallstudien werden die hier entwickelten Analysewerkzeuge dazu angewendet die physikalischen Prozesse während der ET, die die Auslenkung eines Rossby-Wellenzuges stromab beeinflussen, zu analysieren.
English