Doktorarbeit
High-resolution modelling of surface atmosphere interactions and convection development at Nam Co Lake, Tibetan Plateau
Tobias Gerken (03/2009-11/2013)
Betreuer: Thomas Foken, Hans-F. Graf, Michael Herzog
In den letzten Jahren hat das Interesse für das Tibetische Plateau in den Atmosphären- und Umweltwissenschaften zugenommen. Wechselwirkungen zwischen der Oberfläche und der Atmosphäre, v.a. der Austausch von Impuls, turbulenter Energie und Feuchtigkeit sowie die Entwicklung von Konvektion sind nicht nur für die Energiebilanz der Oberfläche und die lokale Verfügbarkeit von Wasser wichtig, sondern haben auch einen Einfluss auf den Monsun und das Klima. Hochauflösende, numerische Zirkulations-Modelle, die vollständig mit der Oberfläche gekoppelt sind, sind ein wichtiges Werkzeug für die systematische Erforschung von Oberflächen-Atmosphären Wechselwirkungen. Der Nam Co See, am nördlichen Rand des Monsun-Systems gelegen, wurde als ein komplexes System ausgewählt, um die Interaktion zwischen See, Land und Atmosphäre bei der Bildung mesoskaliger Zirkulationen sowie der Entwicklung von Grenzschicht-Wolken zu freier Konvektion untersuchen. Mit der Eddy-Kovarianz Methode gemessene Flüsse und Profile der Atmosphäre aus Radiosondierungen werden in dieser Arbeit zusammen mit den Modellen ATHAM (Active Tracer High-resolution Atmospheric Model) und Hybrid verwendet. Beiden Modelle wurden signifikant weiterentwickelt, so dass ATHAM nun über eine konsistentere Behandlung des Transports von Tracern und Temperatur verfügt und numerisch stabiler läuft. Die Berechnung der turbulenten Flüsse in Hybrid ist auf eine extrapolierte Oberflächentemperatur umgestellt. Hierbei wird ein quadratisches Temperatur-Profil in beiden Schichten angenommen und zur Oberfläche erweitert, während die Temperature am Unterrand des Bodenmodells konstant ist. Im Vergleich zu Eddy-Kovarianz Messungen und einen SVAT Modell werden für vier Tage an zwei Orten mit wechselnden Umweltbedingungen während des 2009 Sommer-Monsuns zufriedenstellende Ergebnisse erzielt. Drüber hinaus werden die Fehler im Vergleich zum nicht modifizierten Hybrid um 40--60% reduziert. Anschließend wurde das Modellsystem in 2D am Nam Co verwendet. Dabei wurde ein Querschnitt des Tals mit einer horizontalen Auflösung von 200 m und mindestens 150 Schichten zwischen der Oberfläche und dem Modellrand in der unteren Stratosphäre verwendet. Dieses 2D-setup hat die Tendenz, die Stärke der Konvektionsentwicklung zu überschätzen, da die Einmischung von trockener Luft unterschätzt wird. Außerdem ist das Strömungsfeld nicht vollständig realistisch. Trotzdem können so systematische Untersuchungen von Einflussfaktoren auf das System durchgeführt werden, wenn 3D Simulationen zu rechenintensiv sind. Durch Simulationen mit verschiedenen geostrophischen Windgeschwindigkeiten wurde herausgefunden, dass das Modell die Mesoskalige Zirkulation zwischen See und Bergen realistisch nachbildet. Je nach Windrichtung existieren zwei Mechanismen für das Triggern von Konvektion: Beim überströmen der Topographie und bei Konvergenz zwischen Hintergrund-Wind und der Front der Seebrise. Das gekoppelte Modell ist in der Lage die wichtigsten Eigenschaften des Systems, wie Oberflächenflüsse, mesoskalige Zirkulationen und Wolkenbildung zu simulieren. Anschließend wird der Einfluss von atmosphärischen Temperatur- und Feuchteprofilen sowie die sich daraus ergebenden Unsicherheiten diskutiert. Es werden Profile für zwei Tage im Sommer 2012 verwendet, die direkt durch Radiosondierung gemessen wurden, von den NCEP-I und ERA-INT Reanalysen sowie der GFS-FNL Analyse stammen. Die mit den Radiosonden modellierte Konvektion ist in guter Übereinstimmung mit Wetterbeobachtungen für den ersten Tag. Am 2. Tag treten großräumige synoptische Effekte auf, die in der Simulation nicht enthalten sind, so dass die Ergebnisse weniger gut mit den Beobachtungen übereinstimmen. Die Wahl des vertikalen Profiles hat einen großen Einfluss auf die Entwicklung von Konvektion, mit großen Folgen für die Energiebilanz an der Oberfläche und damit für den Energie- und Wasserkreislauf. Ein großer Teil der in dem Modell-Läufen generierten Niederschläge fällt innerhalb des Tals und auf den Berghängen, so dass von lokalem Recycling gesprochen werden muss. Dies hat zur Folge, dass eine Wetterstation im Zentrum des Tals nicht repräsentativ für das System ist. Darüber hinaus ist der Nam Co wahrscheinlich für den regionalen Wasserkreislauf wichtig. Die Wahl des Profils und sein inititialer Wassergehalt bestimmen die Menge des Niederschlags mit Unterschieden die eine komplette Größenordnung ausmachen. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind ein Beispiel für die Auswirkungen von Oberflächen-Atmosphären Wechselwirkungen, der Entwicklung mesoskaliger Zirkulationen und der Konvektionsentwicklung auf dem Tibetischen Plateau. Auf der Plateau-Skala sind diese Prozesse hochgradig relevant für Ökosysteme, Klima und den Wasserkreislauf.