Numerical Simulations of low-level convergence Lines over north-eastern Australia

• Main Author: Thomsen, Gerald
• Format: Thesis
• Language: English
• Published: Ludwig-Maximilians-Universität München 2006
• Subjects: numerische Modellierung, Morning Glory, Grenzschichtparametrisierung, Seewindzirkulation; 530; FOS Physical sciences; 500; Kap; Kap York
• Online Access: https://dx.doi.org/10.5282/edoc.5691; https://edoc.ub.uni-muenchen.de/id/eprint/5691

Im Gebiet des Carpentaria Golfes im Norden Australiens entstehen regelmäßig mesoskalige Konvergenzlinien in der unteren Troposphäre. Diese produzieren gegen Ende der Trockenzeit oft spektakulären Wolkenlinien, die auf Satellitenbildern zu sehen sind und je nach ihren Eigenschaften ''Morning Glory'' oder ''North Australian Cloud Line'' (NACL) genannt werden. Morning Glories sind glatte Wellenwolken während NACLs konvektive Wolkenlinien sind. Sie stehen unter dem Verdacht, später im Jahr, während der Australische Sommermonsun ruht, eine Reihe von Unwettern auszulösen, die ein bedeutendes Vorhersageproblem für diese Region darstellen. Des Weiteren stellt die einhergehende bodennahe Windscherung eine große Gefahr für tieffliegende Flugzeuge dar. Um die Entstehung dieser Konvergenzlinien mit bis dahin einmaliger Genauigkeit zu dokumentieren, wurde im Herbst 2002 die internationale Meßkampagne GLEX (Gulf Lines Experiment) durchgeführt. Das mesoskalige Modell der Pennsylvania State University und des National Center for Atmospheric Research, MM5, wird in dieser Arbeit für eine Untersuchung dieser Linien benutzt. Da die Linien intrinsisch nicht hydrostatisch sind, sollte das MM5 bei der geforderten hohen horizontalen Auflösung als nichthydrostisches Modell in Vorhersage und Modellierung den für frühere Studien verwendeten hydrostatisch balancierten Modellen überlegen sein. Den zunächst vorgestellten Fallstudien gingen Sensitivitätsstudien bezüglich der Grenzschichtparameterisierung und der Bodenfeuchte voraus, die aber aus Gründen der Lesbarkeit erst später beschrieben werden. Im Rahmen der Fallstudien werden Modellergebnisse mit Ergebnissen aus der Meßkampagne und verfügbaren Satellitenbildern verglichen, sowie weitere Charakteristika der sich bildenden Linien untersucht. Das Modell kann in der gewählten Konfiguration die Konvergenzlinien in noch nie da gewesener Detailliertheit reproduzieren und die Ergebnisse stimmen gut mit den Beobachtungen überein. Weitere Ergebnisse dieser Studie bestätigen früher aufgestellte Theorien, nach denen das nordöstliche Morning Glory und die NACL in Folge eines Zusammenstoßes zweier Seebriesen über der Kap York Halbinsel entstehen. Zum ersten Mal hat ein Modell zwei getrennte Konvergenzlinien produziert, die dem nordöstlichen Morning Glory und der NACL entsprechen. Als Trennungsmechanismus beider sich aus der Ostküstenseebriese entwickelnden Konvergenzlinien wird hier zunächst die Geometrie der Ostküste vorgeschlagen, die auf dem Breitengrad, auf dem die Trennung im allgemeinen erfolgt, einen ausgeprägten Knick aufweist. Für die Entstehung des südlichen Morning Glorys wird eine erst kürzlich aufgestellte Theorie bestätigt, in der die Kollision der südlichen Seebriese mit einer sich von Süden her nähernden Front als Mechanismus angenommen wird. Diese Front formiert sich am Abend entlang einer Troglinie, die ein klimatisches Merkmal Queenslands ist. In einigen der Fälle wurden Trockenlinien beobachtet, die auf das südliche Morning Glory folgten. Auch diese stimmen im Modell gut mit den Beobachtungen überein. Eines der seltener beobachteten südöstlichen Morning Glories kann leider nicht vom Modell reproduziert werden. Als Ursache wird vermutet, daß eine Troglinie im datenarmen Gebiet südlich des Golfs von Carpentaria nicht korrekt in den Anfangsbedingungen positioniert ist. Eine Untersuchung der Strömung hinter den Konvergenzlinien zeigt, daß Morning Glories Wellenphänomene sind. NACLs hingegen behalten den Dichteströmungscharakter der Seebriese bei. Eine Sensitivitätstudie bezüglich der Grenzschichtparameterisierung wird durchgeführt, weil sich die hier untersuchten Phänomene in der planetaren Grenzschicht abspielen. Eine Gruppe von Parametrisierungen stellt sich anderen als überlegen heraus und als Grund für diese guten Ergebnisse wird die Berücksichtigung der großräumigen Gradienten identifiziert, die in den schlechter abschneidenden Parametrisierungen fehlt. Als beste Parametrisierung wird das MRF Schema für alle weiteren Simulationen ausgewählt. Eine Untersuchung der Sensitivität der Ergebnisse bezüglich der Bodenfeuchte zeigt, daß die Seebriesen um so schneller landeinwärts strömen, je trockener die Bodenverhältnisse sind. Die Erklärung hierfür ist, daß ein größerer Teil der eingehenden solaren Strahlung als fühlbare Wärme an die Atmosphäre abgegeben wird und so die Seebriesenzirkulation antreibt. Daraus resultiert, daß Morning-Glory Konvergenzlinien sowohl intensiver sind, als auch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit größer ist wenn die Bodenfeuchte abnimmt. Ein solcher Zusammenhang konnte für die NACLs nicht bestimmt werden. Eine optimale Bodenfeuchte, mit der die Modellergebnisse am besten mit den Beobachtungen übereinstimmen, kann leider nicht ermittelt werden, da geeignete Methoden hierfür nicht zur Verfügung stehen. Die Güte der Ergebnisse bezogen auf die Bodendruck an den einzelnen Stationen des Experiments nimmt jedoch mit abnehmender Bodenfeuchte zu. Da aber die geringst möglichen Werte unrealistisch sind beziehungsweise keinen physikalischen Sinn haben und keine Meßdaten vorhanden sind, wird für alle weiteren Simulationen ein Wert für die Bodenfeuchte gewählt, wie er vom Australischen Wetterdienst benutzt wird. Um einige der aufgezeigten Zusammenhänge noch gründlicher zu untersuchen, wurden noch einige Modellexperimente mit modifizierter Orographie durchgeführt. Diese zeigen, daß weder Morning Glories noch NACLs entstehen, wenn keine Seebriese vom Golf von Carpentaria landeinwärts strömt und mit der Ostküstenseebriese beziehungsweise der sich von Süden her nähernden Kaltfront kollidiert. Ein systematischer Zusammenhang zwischen Höhe der Orographie und der Intensität oder der Geschwindigkeit der sich bildenden Konvergenzlinien kann nicht festgestellt werden. Die im Rahmen der Fallstudie aufgestellte Hypothese für die Trennungsursache von NACL und nordöstlichem Morning Glory kann nicht bestätigt werden und die horizontale Windscherung über der Kap York Halbinsel wird stattdessen als Ursache vorgeschlagen. Diese Hypothese wird durch die Ergebnisse eines Experiments mit uniformer Strömung in westlicher Richtung bestätigt. In diesem Experiment bildet sich nur eine Konvergenzlinie, die dem nordöstlichen Morning Glory entspricht und weit in das Gebiet hineinragt, in dem sich die NACL normalerweise befindet. Am zweiten Tag dieser Simulation entwickelt sich eine horizontale Windscherung, in der sich zwei unabhängige Konvergenzlinien bilden, die dem nordöstlichen Morning Glory und der NACL entsprechen.