Bessere Turbulenzmodelle zur Verbesserung der Wettervorhersage

Atmosphärische Turbulenz kann besser in drei Teilen modelliert werden: mäßiger Fluss, chaotische Turbulenzen und selbstorganisierte Strukturen. Selbstorganisation führt zu langlebigen Strukturen, wie konvektive Zellen in der Atmosphäre oder im Meer.

Klimawandel und Umwelt

Die planetare Grenzschicht (PBL) ist die stark turbulente atmosphärische Schicht, die die Erdoberfläche mit der frei fließenden Atmosphäre darüber verbindet. Turbulenz- und PBL-Mechanismen steuern Funktionen des Klimawandels und extreme Wetterereignisse wie Hitzewellen, Dürren, extreme Kälte und Luftverschmutzung. Diese Phänomene wurden von bestehenden atmosphärischen Modellen schlecht wiedergegeben. Das Projekt PBL-PMES (Atmospheric planetary boundary layers: Physics, modelling and role in Earth system) verwendete ein neues konzeptionelles Modell für PBL. Turbulenz besteht aus drei Komponenten: mäßiger Fluss, chaotische Turbulenzen und selbstorganisierte Strukturen. Selbst organisierte Strukturen, wie Konvektionszellen, sind die Komponenten, die meistens schlecht gehandhabt wurden. Die neue Energie- und Strömungsbudget (EFB)-Turbulenz-Schließungstheorie wurde für die Umsetzung in Wettervorhersage, Klima- und Luftqualitätsmodellen entwickelt und hergestellt. Die Theorie zeigt, dass geophysikalische Turbulenz nicht einmal in kritisch stabilen Schichtungen (wenn kleinere Ströme laminar werden) degenerieren. Dies geht auf zwei Mechanismen zurück. Der Auftriebsstrom wird durch die Wärmeübertragung des Gegengradienten selbstreguliert, der durch turbulente potentielle Energie angetrieben wird, und es gibt effizienten Austausch zwischen kinetischer und potentiell turbulenter Energie. Das Konzept von konvektiver PBL, das auf der dreifachen Zersetzung basiert, wurde gegen verfügbaren Daten und aktuelle Large-Eddy-Simulationen entwickelt und überprüft. Erweiterte Modelle von stabilen und neutral geschichteten PBL, einschließlich der vor kurzem erkannten konventionell neutralen PBL (typisch über Ozeane) und langlebigen stabilen PBL (typisch über Kontinenten in den hohen Breiten), wurden abgeleitet und verwendet, um neue Oberflächen-Flux-Algorithmen zu entwickeln, die die Wechselwirkungen zwischen der Oberflächenschicht und dem PBL-Kern ausmachen. Eine Reihe von Echtzeit-Studien parallel zu Feldmessungen wurden durchgeführt und verwendet, um die Ergebnisse aus den Beobachtungen zu bereichern, auch für turbulente Flüsse über Meereis in der Arktis und für Gefahren der städtischen Luftqualität unter sehr stabilen PBL. Ein neues Konzept des PBL-Klima-Feedback, das für die Festigkeit thermischen Empfindlichkeit der steht, wurde entwickelt und genutzt, um bis zu 70% der beobachteten Temperaturtrends und Variabilität des Klimawandels in den hohen Breiten zu erklären. EFB-Abschluss und PBL- Parametrisierungen werden für die Umsetzung in Wetter-, Luftqualität- und Klimamodelle in mehreren EU-Ländern und den Vereinigten Staaten vorbereitet.

Schlüsselbegriffe

Atmosphärische Turbulenz, konvektive Zellen, planetaren Grenzschicht, Klimawandel, PBL-PMES

Atmospheric planetary boundary layers: physics, modelling and role in Earth system

Bessere Turbulenzmodelle zur Verbesserung der Wettervorhersage

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