Nichtlineare Dynamik atmosphärischer Zirkulationsregime in einem idealisierten Modell


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Abstract

Unter atmosph"arischen Zirkulationsregimenversteht man bevorzugte quasi-station"are Zust"ande der atmosph"arischenZirkulation auf der planetaren Skala, die f"ur eine bis mehrere Wochenpersistieren k"onnen.Klima"anderungen, ob nat"urlich entstanden oder anthropogen verursacht,"au"sern sich in erster Linie durch "Anderungen derAuftrittswahrscheinlichkeiten der nat"urlichen Regime.In der vorliegenden Arbeit wurden dynamische Mechanismendes Regimeverhaltens und der dekadischen Klimavariabilit"at derAtmosph"are bei Abwesenheit zeitlich ver"anderlicher externer Einflussfaktorenuntersucht.Das Hauptwerkzeug daf"ur war einquasi-geostrophisches Dreischichtenmodell der winterlichenatmosph"arischen Zirkulation auf der Nordhemisph"are, das eine spektraleT21-Aufl"osung, einen orographischen und einen zeitlichkonstanten thermischen Antrieb mit nicht-zonalen Anteilen besitzt. Einsolches Modell vermag gro"sskalige atmosph"arische Str"omungsvorg"angeau"serhalb der Tropen mit einiger Genauigkeit zu simulieren.Nicht ber"ucksichtigt werden Feuchteprozesse, die Wechselwirkung derAtmosph"are mit anderen Teilen des Klimasystems sowie anthropogene Einfl"usse.F"ur das Dreischichtenmodell wurde ein automatisiertes, iteratives Verfahrenzur Anpassung des thermischen Modellantriebs neuentwickelt. Jede Iteration des Verfahrens besteht aus einerTestintegration des Modells, ihrer Auswertung, dem Vergleichder Ergebnisse mit den NCEP-NCAR-Reanalysedaten aus den WintermonatenDezember, Januar und Februar sowie einer auf diesem Vergleich basierendenAntriebskorrektur. Nach Konvergenz des Verfahrens stimmt das Modell sowohlbez"uglich des zonal gemitteltenKlimazustandes als auch bez"uglich der zeitgemittelten nicht-zonalenau"sertropischen diabatischenErw"armung nahezu perfekt mit den wintergemittelten Reanalysedaten "uberein.In einer 1000-j"ahrigen Simulation wurden die beobachtete mittlere Zirkulationim Winter sowie ihre Variabilit"at realit"atsnah reproduziert, insbesonderedie Arktische Oszillation (AO) und ihre vertikale Ausdehnung. DerAO-Index des Modells weist deutliche dekadische Schwankungen auf,die allein durch die interne Modelldynamik bedingt sind. Dar"uberhinaus zeigt das Modell ein Regimeverhalten, das gut mit den Beobachtungsdaten"ubereintimmt. Es besitzt ein Regime, das in etwa dernegativen Phase der Nordatlantischen Oszillation (NAO) entspricht und eines,das der positiven Phase der AO "ahnelt.Eine weit verbreitete Hypothese ist die n"aherungsweise"Ubereinstimmung zwischen Regimen und station"aren L"osungen derBewegungsgleichungen. In der vorliegenden Arbeit wurde dieseHypothese f"ur das Dreischichtenmodell "uberpr"uft, mit negativem Resultat.Es wurden mittels eines Funktionalminimierungsverfahrens sechs verschiedenestation"are Zust"ande gefunden. Diese sind allesamt durch eine "au"serstunrealistische Zirkulation gekennzeichnet und sind daher weit vomModellattraktor entfernt. F"unf dersechs Zust"ande zeichnen sich durch einen extrem starken subtropischen Jetin der mittleren und obereren Modellschicht aus.Da die Ursache des Regimeverhaltens des Dreischichtenmodellsnach wie vor unklar war, wurde auf ein einfacheres Modell, n"amlich einbarotropes Modell mit T21-Aufl"osung zur"uckgegriffen. F"ur dieAnpassung des Oberfl"achenantriebs wurdeeine modifizierte Form der iterativen Prozedur verwendet.Die zeitgemittelte Zirkulation des barotropen Modells stimmt sehr gutmit der zeitlich und vertikal gemittelten Zirkulation desDreischichtenmodells "uberein. Das dominierende r"aumliche Muster derVariabilit"at besitzt eine AO-"ahnliche Struktur. Zudembesitzt das barotrope Modell zwei Regime, die n"aherungsweise derpositiven und negativen Phase der AO entsprechen und somit auchden Regimen des Dreischichtenmodells "ahneln.Im Verlauf der Justierung desOberfl"achenantriebs konnte beobachtet werden, dass die zwei Regimedes barotropen Modellsdurch die Vereinigung zweier koexistierender Attraktoren entstanden.Der wahrscheinliche Mechanismus der Attraktorvereinigung ist eineRandkrise eines der beiden Attraktoren, gefolgt von einer explosivenBifurkation des anderen Attraktors.Es wird die Hypothese aufgestellt, dass der beim barotropen Modellvorgefundene Mechanismus der Regimeentstehung f"ur atmosph"arischeZirkulationsmodelle mit realit"atsnahem RegimeverhaltenAllgemeing"ultigkeit besitzt. Gest"utzt wird die Hypothese durch vierExperimente mit demDreischichtenmodell, bei denen jeweils der Parameter derBodenreibung verringert und dieAntriebsanpassung wiederholt wurde. Bei diesen Experimenten erh"ohte sich diePersistenz und die Separiertheit der Regime bei abnehmender Reibung drastischund damit auch der Anteil dekadischer Zeitskalen an derVariabilit"at. Die Zunahme der Persistenz der Regime ist charakteristisch f"urdie Ann"aherung an eine inverse innere Krise, derenExistenz aber nicht nachgewiesen werden konnte.



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Sempf, M. (2005): Nichtlineare Dynamik atmosphärischer Zirkulationsregime in einem idealisierten Modell , Universität Potsdam. .


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