Numerical Simulations of low-level convergence Lines over north-eastern Australia

Published: July 28, 2006, 11 a.m.

b"Im Gebiet des Carpentaria Golfes im Norden Australiens entstehen regelm\\xe4\\xdfig mesoskalige Konvergenzlinien in der unteren Troposph\\xe4re. Diese produzieren gegen Ende der Trockenzeit oft spektakul\\xe4ren Wolkenlinien, die auf Satellitenbildern zu sehen sind und je nach ihren Eigenschaften ''Morning Glory'' oder ''North Australian Cloud Line'' (NACL) genannt werden. Morning Glories sind glatte Wellenwolken w\\xe4hrend NACLs konvektive Wolkenlinien sind. Sie stehen unter dem Verdacht, sp\\xe4ter im Jahr, w\\xe4hrend der Australische Sommermonsun ruht, eine Reihe von Unwettern auszul\\xf6sen, die ein bedeutendes Vorhersageproblem f\\xfcr diese Region darstellen. Des Weiteren stellt die einhergehende bodennahe Windscherung eine gro\\xdfe Gefahr f\\xfcr tieffliegende Flugzeuge dar. Um die Entstehung dieser Konvergenzlinien mit bis dahin einmaliger Genauigkeit zu dokumentieren, wurde im Herbst 2002 die internationale Me\\xdfkampagne GLEX (Gulf Lines Experiment) durchgef\\xfchrt. Das mesoskalige Modell der Pennsylvania State University und des National Center for Atmospheric Research, MM5, wird in dieser Arbeit f\\xfcr eine Untersuchung dieser Linien benutzt. Da die Linien intrinsisch nicht hydrostatisch sind, sollte das MM5 bei der geforderten hohen horizontalen Aufl\\xf6sung als nichthydrostisches Modell in Vorhersage und Modellierung den f\\xfcr fr\\xfchere Studien verwendeten hydrostatisch balancierten Modellen \\xfcberlegen sein.\\n\\nDen zun\\xe4chst vorgestellten Fallstudien gingen Sensitivit\\xe4tsstudien bez\\xfcglich der Grenzschichtparameterisierung und der Bodenfeuchte voraus, die aber aus Gr\\xfcnden der Lesbarkeit erst sp\\xe4ter beschrieben werden. Im Rahmen der Fallstudien werden Modellergebnisse mit Ergebnissen aus der Me\\xdfkampagne und verf\\xfcgbaren Satellitenbildern verglichen, sowie weitere Charakteristika der sich bildenden Linien untersucht. Das Modell kann in der gew\\xe4hlten Konfiguration die Konvergenzlinien in noch nie da gewesener Detailliertheit reproduzieren und die Ergebnisse stimmen gut mit den Beobachtungen \\xfcberein. Weitere Ergebnisse dieser Studie best\\xe4tigen fr\\xfcher aufgestellte Theorien, nach denen das nord\\xf6stliche Morning Glory und die NACL in Folge eines Zusammensto\\xdfes zweier Seebriesen \\xfcber der Kap York Halbinsel entstehen. Zum ersten Mal hat ein Modell zwei getrennte Konvergenzlinien produziert, die dem nord\\xf6stlichen Morning Glory und der NACL entsprechen. Als Trennungsmechanismus beider sich aus der Ostk\\xfcstenseebriese entwickelnden Konvergenzlinien wird hier zun\\xe4chst die Geometrie der Ostk\\xfcste vorgeschlagen, die auf dem Breitengrad, auf dem die Trennung im allgemeinen erfolgt, einen ausgepr\\xe4gten Knick aufweist. F\\xfcr die Entstehung des s\\xfcdlichen Morning Glorys wird eine erst k\\xfcrzlich aufgestellte Theorie best\\xe4tigt, in der die Kollision der s\\xfcdlichen Seebriese mit einer sich von S\\xfcden her n\\xe4hernden Front als Mechanismus angenommen wird. Diese Front formiert sich am Abend entlang einer Troglinie, die ein klimatisches Merkmal Queenslands ist. In einigen der F\\xe4lle wurden Trockenlinien beobachtet, die auf das s\\xfcdliche Morning Glory folgten. Auch diese stimmen im Modell gut mit den Beobachtungen \\xfcberein. Eines der seltener beobachteten s\\xfcd\\xf6stlichen Morning Glories kann leider nicht vom Modell reproduziert werden. Als Ursache wird vermutet, da\\xdf eine Troglinie im datenarmen Gebiet s\\xfcdlich des Golfs von Carpentaria nicht korrekt in den Anfangsbedingungen positioniert ist. Eine Untersuchung der Str\\xf6mung hinter den Konvergenzlinien zeigt, da\\xdf Morning Glories Wellenph\\xe4nomene sind. NACLs hingegen behalten den Dichtestr\\xf6mungscharakter der Seebriese bei.\\n\\nEine Sensitivit\\xe4tstudie bez\\xfcglich der Grenzschichtparameterisierung wird durchgef\\xfchrt, weil sich die hier untersuchten Ph\\xe4nomene in der planetaren Grenzschicht abspielen. Eine Gruppe von Parametrisierungen stellt sich anderen als \\xfcberlegen heraus und als Grund f\\xfcr diese guten Ergebnisse wird die Ber\\xfccksichtigung der gro\\xdfr\\xe4umigen Gradienten identifiziert, die in den schlechter abschneidenden Parametrisierungen fehlt. Als beste Parametrisierung wird das MRF Schema f\\xfcr alle weiteren Simulationen ausgew\\xe4hlt.\\n\\nEine Untersuchung der Sensitivit\\xe4t der Ergebnisse bez\\xfcglich der Bodenfeuchte zeigt, da\\xdf die Seebriesen um so schneller landeinw\\xe4rts str\\xf6men, je trockener die Bodenverh\\xe4ltnisse sind. Die Erkl\\xe4rung hierf\\xfcr ist, da\\xdf ein gr\\xf6\\xdferer Teil der eingehenden solaren Strahlung als f\\xfchlbare W\\xe4rme an die Atmosph\\xe4re abgegeben wird und so die Seebriesenzirkulation antreibt. Daraus resultiert, da\\xdf Morning-Glory Konvergenzlinien sowohl intensiver sind, als auch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit gr\\xf6\\xdfer ist wenn die Bodenfeuchte abnimmt. Ein solcher Zusammenhang konnte f\\xfcr die NACLs nicht bestimmt werden. Eine optimale Bodenfeuchte, mit der die Modellergebnisse am besten mit den Beobachtungen \\xfcbereinstimmen, kann leider nicht ermittelt werden, da geeignete Methoden hierf\\xfcr nicht zur Verf\\xfcgung stehen. Die G\\xfcte der Ergebnisse bezogen auf die Bodendruck an den einzelnen Stationen des Experiments nimmt jedoch mit abnehmender Bodenfeuchte zu. Da aber die geringst m\\xf6glichen Werte unrealistisch sind beziehungsweise keinen physikalischen Sinn haben und keine Me\\xdfdaten vorhanden sind, wird f\\xfcr alle weiteren Simulationen ein Wert f\\xfcr die Bodenfeuchte gew\\xe4hlt, wie er vom Australischen Wetterdienst benutzt wird.\\n\\nUm einige der aufgezeigten Zusammenh\\xe4nge noch gr\\xfcndlicher zu untersuchen, wurden noch einige Modellexperimente mit modifizierter Orographie durchgef\\xfchrt. Diese zeigen, da\\xdf weder Morning Glories noch NACLs entstehen, wenn keine Seebriese vom Golf von Carpentaria landeinw\\xe4rts str\\xf6mt und mit der Ostk\\xfcstenseebriese beziehungsweise der sich von S\\xfcden her n\\xe4hernden Kaltfront kollidiert. Ein systematischer Zusammenhang zwischen H\\xf6he der Orographie und der Intensit\\xe4t oder der Geschwindigkeit der sich bildenden Konvergenzlinien kann nicht festgestellt werden. Die im Rahmen der Fallstudie aufgestellte Hypothese f\\xfcr die Trennungsursache von NACL und nord\\xf6stlichem Morning Glory kann nicht best\\xe4tigt werden und die horizontale Windscherung \\xfcber der Kap York Halbinsel wird stattdessen als Ursache vorgeschlagen. Diese Hypothese wird durch die Ergebnisse eines Experiments mit uniformer Str\\xf6mung in westlicher Richtung best\\xe4tigt. In diesem Experiment bildet sich nur eine Konvergenzlinie, die dem nord\\xf6stlichen Morning Glory entspricht und weit in das Gebiet hineinragt, in dem sich die NACL normalerweise befindet. Am zweiten Tag dieser Simulation entwickelt sich eine horizontale Windscherung, in der sich zwei unabh\\xe4ngige Konvergenzlinien bilden, die dem nord\\xf6stlichen Morning Glory und der NACL entsprechen."