Die Rolle der Turbulenz und des Bodens bei frontogenetischen Prozessen:
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| Format: | Thesis/Dissertation Book |
| Language: | German |
| Published: |
Offenbach am Main
Selbstverl. des Dt. Wetterdienstes
1995
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185 |
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| adam_text | Titel: Die Rolle der Turbulenz und des Bodens bei frontogenetischen Prozessen
Autor: Becker, Andreas
Jahr: 1995
Inhalt____________________________________________________________________________V
Kapitel 1: Einleitung ..........................................1
1.1 Stand des Wissens......................................1
1.1.1 Fallstudien......................................1
1.1.2 Studien mit numerischen Modellen .......................3
1.2 Ziele dieser Arbeit .....................................4
1.3 Arbeitsablauf und angewandte Mittel ..........................5
Kapitel 2: Einführung einer Turbulenzparametrisierung für MAMBO...........8
2.1 Die Modellgleichungen von MAMBO mit turbulenter Reibung...........8
2.2 Berechnung der turbulenten Quellterme.........................9
2.3 Bestimmung der vertikalen Diffusion .........................11
2.3.1 Schließung 1.5-facher Ordnung mit prognostischem K-Ansatz......11
2.3.2 Schließung 1.Ordnung mit diagnostischem K-Ansatz ...........13
2.4 Parametrisierung der horizontalen Diffusion.....................14
2.4.1 Explizite Berechnung der horizontalen Diffusion: Der Kx-Ansatz .... 14
2.4.2 Implizite Berechnung der horizontalen Diffusion: Der Shapiro-Filter . . 15
2.5 Parametrisierung der Prandtl-Schicht .........................17
2.6 Stabilitätsmaße in der Prandtl-Schicht.........................18
2.7 Bestimmung der Bodentemperatur in MAMBO ...................20
Kapitel 3: Diskretisierung, Rand-, Anfangsbedingungen und großskalige Antriebe . . 23
3.1 Diskretisierung der Turbulenzparametrisierung ...................23
3.2 Diskretisierung der TKE-Gleichung ..........................24
3.2.1 Die TKE-Advektion ...............................24
3.3.2 Das TKE-Adjustment ..............................25
VI_____________________________________________________________________Inhalt
3.3 Diskretisierung der Gradient-Richardson-Zahl-Gleichung .............25
3.4 Randbedingungen .....................................26
3.4.1 Untere Randbedingungen ............................26
3.4.2 Seitliche Randbedingungen...........................26
3.4.3 Obere Randbedingung..............................27
3.4.4 Probleme der Seitenrandbedingung in Verbindung mit
dem Shapiro-Filter höherer Ordnung.....................28
3.5 Anfangsbedingungen und großskalige Antriebe ...................28
3.5.1 Die zwei verschiedenen Kaltfront-Typen (Temperaturfelder und Jets) . 28
a) LTJ (Lower Tropospheric Jet) .......................29
b) UTJ (Upper Tropospheric Jet) .......................29
3.5.2 Anfangsprofile der Bodentemperatur .....................31
3.5.3 Großskaliger geostrophischer Antrieb.....................32
3.5.4 Modellsenkrechte Gradienten ohne turbulente Reibung ..........33
3.5.5 Modellsenkrechte Gradienten mit turbulenter Reibung...........33
3.6 Ageostrophische Balancierung der Anfangsfelder..................35
3.6.1 Initialisierung der Querzirkulation.......................35
3.6.2 Ageostrophische Balancierung der Grenzschicht, Reibungsdiastrophie . 38
3.6.3 Berücksichtigung der Zeitvarianz des zonalen Grundstroms .......39
3.7 Bezeichnung der in der Arbeit diskutierten Kaltfront-Simulationen........40
Kapitel 4: Kaltfront-Simulationen, Fronten ohne großskaligen Antrieb .........44
4.1 Die Standard-Plotausgaben von MAMBO.......................44
4.2 Lower Tropospheric Jet ohne großskaligen Antrieb (LTJ1)............45
4.3 Charakteristische Zonen an der LTJl-Front mit turbulenter Reibung ......57
4.4 Der Einfluß der Turbulenz-Schließung auf die Modellergebnisse.........59
4.5 Upper Tropospheric Jet ohne großskaligen Antrieb (UTJ1)............61
4.6 Charakteristische Zonen an der UTJ 1-Front mit turbulenter Reibung......65
Inhalt______________________________________________________________________?
Kapitel 5: Kaltfront-Simulationen, Fronten mit großskaligem Antrieb..........68
5.1 Der LTJ mit großskaligem Scherungs-Antrieb (LTJ3) ...............68
5.1.1 Der LTJ3 ohne turbulente Reibung (Lauf-Nr.3) ..............68
5.1.2 Der LTJ3 mit turbulenter Reibung (Lauf-Nr.13)..............71
5.2 Der LTJ mit großskaligem Deformations-Antrieb (LTJ2) .............76
5.2.1 Der LTJ2 ohne turbulente Reibung (Lauf-Nr.2) ..............76
5.2.2 Der LTJ2 mit turbulenter Reibung (Lauf-Nr.12)..............79
5.3 Der UTJ mit großskaligem Scherungs-Antrieb (UTJ3)...............81
5.3.1 Der UTJ3 ohne turbulente Reibung (Lauf-Nr.5) ..............81
5.3.2 Der UTJ3 mit turbulenter Reibung (Lauf-Nr.14)..............84
5.4 Zusammenfassung der Ergebnisse von Kapitel 5 .................. 88
Kapitel 6: Frontogenese-Mechanismen reibungsbehafteter Kaltfronten.......... 90
6.1 Die Terme der Frontogenese-Funktion nach Miller (1948) ............ 90
6.2 Erläuterungen zu den Frotogeneseabbildungen (Abb.6.1 bis Abb.6.8) ..... 90
6.3 Vergleich der frontogenetisehen Strukturen verschiedener Frontsimulationen . 91
6.3.1 Fronten ohne äußeren Antrieb (LTJ1 und UTJ1)..............91
6.3.2 Fronten mit äußerem Antrieb (LTJ2, LTJ3 und UTJ3) ..........95
6.4 Zusammenfassung der Ergebnisse von Kapitel 6 .................104
Kapitel 7: Sensitivitätsstudien...................................106
7.1 Der Einfluß der Strahlungsbilanz am Boden
auf die Entwicklung der LTJ3-Front.........................106
7.2 Der Einfluß der Jahreszeit auf die Entwicklung der LTJ3-Front........ 117
7.3 Der Einfluß der Bodeneigenschaften auf die LTJ3-Front im Frühling..... 124
7.4 Zusammenfassung der Ergebnisse von Kapitel 7 .................129
Vili____________________________________________________________Inhalt
Kapitel 8: Zusammenfassung der Ergebnisse und Ausblick................131
8.1 Zusammenfassung der Ergebnisse ..........................131
8.2 Ausblick..........................................136
Anhang A: Schritte zur Herleitung der TKE-f-Schließung nach Arritt (1987).....137
A.l Bestimmungsgleichungen für die Momente zweiter Ordnung..........137
A.2 Die verschiedenen Schließungslevels für das Zweite-Momente-Modell (ZMM) 139
A.3 Einführung einer nicht-singulären Level-2.5-Schließung.............143
A.4 Herleitung der Schließungskonstanten für die Parametrisierung der
Fluß-Richardson-Zahl nach Yamada (1983) ....................146
Anhang B: Terminologie der Hierarchie der Turbulenzschließungen ..........147
Anhang C: Iterative Lösung der Ekman-Gleichungen....................149
Literatur..................................................151
Liste der verwendeten Symbole....................................155
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