Grenzschichtprozesse

Beobachtungen und kleinskalige Modellierung

Temperaturprofile über arktischem Meereis im Sommer. Die Grenzschichthöhen betragen hier zwischen ca. 60 m (blau) und 500 m (rot)
Temperaturprofile über arktischem Meereis im Sommer. Die Grenzschichthöhen betragen hier zwischen ca. 60 m (blau) und 500 m (rot) (Grafik: Christof Lüpkes, AWI)

Die atmosphärische Grenzschicht ist die Schicht, die durch Prozesse an der Oberfläche beeinflusst wird, und die dabei  Impuls, Wärme und  Feuchtigkeit transportieren. Die Obergrenze der Grenzschicht ist in den Polarregionen durch eine markante Temperaturzunahme sichtbar.

Obgleich die Grenzschicht  in den  inneren polaren Regionen oft sehr flach ist  (über Meereis  typischerweise 30 – 400 m)  ist es wichtig,  darin ablaufende Prozesse gut zu verstehen, da diese eine enorme Bedeutung für  die Wechselwirkung der Atmosphäre mit  dem Meereis und dem Ozean  haben.

Wir untersuchen Grenzschichtprozesse durch Messungen, die  von  Flugzeugen,  vom Forschungsschiff Polarstern und von automatischen Wetterstationen aus durchgeführt werden. Ferner analysieren wir Prozesse mit Hilfe kleinskaliger Modellierung.

Prozesse, die die Struktur der polaren Grenzschicht beeinflussen

....in Grenzschichtprozessen

Die Struktur der polaren Grenzschicht wird durch großräumigen Transport von Wärme und Feuchte sowie durch lokale Prozesse beeinflusst. Dies sind turbulente Prozesse und Strahlungsprozesse, welche beide von Charakteristiken der Meereisoberfläche abhängen, aber auch  von niedriger Bewölkung.

Ein Beispiel für die Beeinflussung durch Turbulenz stellen  Kaltluftausbrüche dar. Dabei werden aus den inneren polaren Regionen über den offenen Ozean herantransportierte Luftmassen stark erwärmt. Die entstehende Turbulenz bewirkt einen Anstieg der Grenzschichtdicke von z.B. 100 m über Meereis auf  2 km in einer Entfernung von 200 km stromabwärts der Eisrandzone. Umgekehrt führen aufeisige Strömung sowie Ausstrahlung über Meereis  zu sehr flachen Grenzschichten. Die damit verbundene thermisch stabile Schichtung bewirkt ein rasches Abklingen turbulenter Wirbel. 

Turbulente Prozesse hängen vom Unterschied zwischen Luft-  und Oberflächentemperatur ab, und damit auch von Meereiseigenschaften wie der  Konzentration von Meereis (Rinnenbedeckung) und seiner Dicke. Aber auch die Oberflächentopographie (Presseisrücken, Kanten von Eisschollen und Schmelztümpeln) spielt eine wichtige Rolle für die Ausbildung turbulenter Wirbel. Schneeauflage sowie Schmelztümpel und vor allem Bewölkung beeinflussen stark die Strahlungsprozesse. Alle genannten Parameter variieren räumlich stark, was eine große Herausforderung für die Ableitung von  Prozessparametrisierungen darstellt. Diese sind vor allem für Klimamodelle wichtig, denn deren Gitterweiten sind noch immer viel größer als  z.B. die typische räumliche Skala von Inhomogenitäten der Meereisbedeckung.

AWI Forscher der  Sektion Meteorologie der Polargebiete haben  die verschiedenen Regime in den vergangenen Jahren anhand vieler Fallstudien  (Modellierung und Messung) untersucht. Basierend auf den Ergebnissen wurden Turbulenzparametrisierungen für stark konvektive Strömung sowie  für den oberflächennahen Transport von Energie und Impuls über  Meereis in den inneren Regionen der polaren Ozeane und den Eisrandzonen mit speziellen Bedingungen entwickelt.  Auch der starke Einfluss von Konvektion über Eisrinnen wurde untersucht.  

Einfluss der Meereismorphologie auf Energie und Transport

Kaltluftausbrüche mit startker Rollenkonvektion

Terra Modis Image of 17 April 2014 (13:15 GMT)

Die Wechselwirkung zwischen atmosphärischen Prozessen in polaren und mittleren Breiten wird stark durch Kaltluftausbrüche (engl. Abkürzung: CAOs) beeinflusst. Während solcher Ereignisse wird kalte Luft von den mit Meereis bedeckten Regionen (auch von Schelfen oder von Grönland) über große Distanzen in niedere Breiten transportiert, während  sich über dem offenen Ozean eine flache, aber stark erwärmte konvektive Grenzschicht entwickelt.  In dieser Schicht ist  die Strömung in sogenannten Konvektionsrollen organisiert. Diese sind auf Satellitenbildern als „Wolkenstraßen“ sichtbar, die sich in der rollenartigen atmosphärischen Zirkulation entwickeln. Die  typische Breite der  Rollen beträgt 1-5 km, während sie Längen von mehreren Hundert Kilometern erreichen. Bei Kaltluftausbrüchen können die oberflächennahen atmosphärischen Wärmeflüsse über großen Regionen mehrere Hundert Watt pro Quadratmeter betragen. Das bedeutet, dass solche Strömungsregime von großer Wichtigkeit für die Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und Ozean sind. Dies betrifft beide Hemisphären, denn Kaltluftausbrüche ereignen sich in der Arktis und Antarktis. Typische Regionen für arktische Kaltluftausbrüche sind  die Framstraße und die Barentssee.

Die Abbildung zeigt einen Kaltluftausbruch mit Konvektionsrollen über der Framstraße, der durch ein Tiefdruckgebiet über Svalbard ausgelöst wird.

Veröffentlichungen

In der Sektion Meteorologie der Polargebiete untersuchen wir Kaltluftausbrüche mittels Flugzeugmessungen und Modellierung. Detaillierte Informationen zu unserer Forschung findet man z.B. in: 

  • Chechin, D.G., C. Lüpkes, I.A. Repina, and V.M. Gryanik (2013), Idealized dry quasi 2-D mesoscale simulations of cold-air outbreaks over the marginal sea ice zone with fine and coarse resolution, J. Geophys. Res. Atmos., 118, 8787–8813, doi:10.1002/jgrd.50679
  • Wacker, U., K. Potty, C. Lüpkes, J. Hartmann, and M. Raschendorfer (2005), A case study on a polar cold air outbreak over Fram Strait using a mesoscale weather prediction model, Boundary Layer Meteorol., 117, 301–336, doi:10.1007/s10546-005-2189-1.
  • Hartmann, J., C. Kottmeier, and S. Raasch (1997), Roll vortices and boundary-layer development during a cold air outbreak, Boundary Layer Meteorol., 84(1), 45–65, doi:10.1023/A:1000392931768

Konvektion

Strahlung