Windstruktur einer arktischen Grenzschicht am Beispiel Ny-Ålesund


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Marion.Maturilli [ at ] awi.de

Abstract

Die Bedeutung der Polarregionen für die Entwicklung des Klimas auf der Erde ist unumstritten (siehe zum Beispiel IPCC 2007; IPCC 2013). In der Arktis ist der Erwärmungstrend der letzten Dekaden etwa doppelt so groß wie im globalen Mittel. Damit reagiert diese Region besonders empfindlich auf Veränderungen des Weltklimas und kann als eine Art Frühwarnsystem genutzt werden. Grund für diesen auch unter dem Namen „Arctic Amplification“ bekannten Effekt sind positive Rückkopplungen, die dafür sorgen, dass sich jede Erhöhung der Temperatur noch weiter verstärkt. Da das regionale Klima der Arktis sich auf den Ozean und das Meereis, und dadurch wiederum auf das globale Klima auswirkt (siehe zum Beispiel Jaiser et al. 2012), ist die korrekte Modellierung dieser Region in Wetter- und Klimasimulationen besonders wichtig (Esau & Repina 2012; Lindsay & Zhang 2005; Screen & Simmonds 2010). Eine große Rolle spielt dabei das Geschehen in den unteren Schichten der Atmosphäre, der so genannten Grenzschicht, in der der Erdboden und die darüber liegende Luft Energie, Impuls, Feuchte und Spurengase austauschen. Diese komplexen Wechselwirkungen können in den Modellen nicht im Detail berechnet werden, sondern müssen durch Parametrisierungen behandelt werden. Diese wiederum beruhen auf der langjährigen Beobachtung von meteorologischen Größen. Daher ist es für die Verbesserung der Modelle wichtig, lange Datenreihen der meteorologischen Schlüsselgrößen zur Verfügung zu haben. Windgeschwindigkeit und -richtung gehören neben Temperatur, Luftdruck und Luchtfeuchte zu diesen Schlüsselgrößen, die zur Erstellung jeder Wettervorhersage benötigt werden. In der Arktis werden Messungen dieser Größen seit vielen Jahren an der deutsch-französischen Forschungsstation AWIPEV in Ny-Ålesund auf Spitzbergen durchgeführt. Der gewonnene Datensatz beinhaltet zum einen kontinuierliche Messungen in 2 m und in 10 m Höhe, zum anderen werden täglich Radiosonden gestartet, die ein hochaufgelöstes Vertikalprofil aller wichtigen meteorologischen Größen ermitteln. Aufgrund der komplexen Orographie um Ny-Ålesund verändert sich der Wind zum einen sehr stark mit der Höhe (siehe z. B. Jocher et al. 2012; Kilpeläinen et al. 2012), was mit den kontinuierlichen, bodengebundenen Messungen nicht erfasst werden kann, zum anderen können aber zeitliche Veränderungen im Windprofil mit punktuellen Radiosondenaufstiegen nicht aufgelöst werden. Deshalb wurde im Frühjahr 2012 auf dem Dach des Observatoriums der AWIPEV-Station in Ny-Ålesund ein WindLiDAR, das „Windcube 200“, installiert, welches seit Dezember 2012 kontinuierlich Messungen durchführt. Mit diesem Instrument ist es möglich, das Höhenprofil der Windgeschwindigkeit und -richtung in der Grenzschicht über lange Zeiträume hinweg kontinuierlich und automatisiert zu beobachten, wobei je nach Wetterbedingungen Messhöhen zwischen einigen hundert Metern und mehreren Kilometern erreicht werden. Ausgenutzt wird dazu das LiDAR-Prinzip, also die Streuung von Laserlicht an Aerosolen, in Kombination mit dem Dopplereffekt (siehe Kapitel 2.1). Mit Hilfe dieses Instruments entsteht eine sowohl vertikal als auch zeitlich hoch aufgelöste Zeitreihe von Windgeschwindigkeit und Windrichtung über Ny-Ålesund. In Kombination mit dem dort bereits vorhandenen Netzwerk meteorologischer Messinstrumente (siehe Maturilli et al. 2012) eröffnet sich dadurch die Möglichkeit, ein Gesamtbild der meteorologischen Größen zu erstellen und so auch Verbindungen zwischen Windmustern und Temperaturanomalien zu finden (Esau & Repina 2012). In der vorliegenden Masterarbeit sollen die vom WindLiDAR gemessenen Daten erstmalig analysiert und ausgewertet werden, um damit die Windstruktur der Grenzschicht in NyÅlesund im Besonderen und in der Arktis im Allgemeinen zu untersuchen. Da dazu noch verschiedene andere Daten hinzugezogen wurden, werden all diese Daten und Instrumente zunächst in Kapitel 2 vorgestellt. Um die Glaubwürdigkeit der WindLiDAR-Daten sicherzustellen, findet anschließend eine Validierung der Daten statt (siehe Kapitel 3). In den folgenden Kapiteln werden die bisher aufgenommenen Daten zunächst statistisch (Kapitel 4) und anschließend im Hinblick auf spezielle meteorologische Phänomene (Kapitel 5) ausgewertet. Dabei sollen insbesondere Zusammenhänge zwischen Wind und Orographie, zwischen lokaler und synoptischer Strömung und zwischen Wind und thermischer Stabilität der unteren Atmosphäre untersucht werden. Besonderes Augenmerk wird dabei auf das Auftreten von Low-Level Jets und ihre Eigenschaften unter verschiedenen Bedingungen gelegt. Außerdem wird beschrieben, wie sich der Wind beim Durchgang von Wetterfronten verhält und wann es zu Synchronisationsereignissen kommt, bei denen der Wind über die gesamte Messhöhe hinweg aus der gleichen Richtung weht. In Kapitel 6 werden die Ergebnisse der vorangegangenen Kapitel zusammengefasst und allgemeine Aussagen über die Windstruktur der Grenzschicht in Ny-Ålesund abgeleitet. Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, bei welchen Themen noch besonderer Forschungsbedarf besteht.



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Thesis (Master)
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35062
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Burgemeister, S. (2013): Windstruktur einer arktischen Grenzschicht am Beispiel Ny-Ålesund , Master thesis, Universität Potsdam.


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