D6 Diagnose von Wellen und Durchblutung

Thema

Die Wellen- und Zirkulationsdiagnostik wendet analytische Verfahren auf die dreidimensionalen Wind-, Temperatur- und Druckfelder an, die aus Reanalysen, numerischen Wettervorhersagemodellen oder Radiosondendaten gewonnen werden. Ziel ist es, großräumige Strömungsmuster und die Aktivität der darin laufenden atmosphärischen Wellen zu identifizieren, zu quantifizieren und vorherzusagen. Ein solches Verfahren, die Wheeler-Kiladis-Raumzeit-Spektralanalyse, zerlegt diese konvektiven und dynamischen Felder anhand der räumlichen Skala und der Periodendauer ihrer einzelnen Komponenten. Diese Zerlegung ermöglicht die Trennung der verschiedenen Moden äquatorialer Wellen innerhalb desselben Feldes: Kelvin-Wellen, Rossby-Wellen und Mischwellen.

Ein weiteres Verfahren, die Eliassen-Palm-Vektoren, ist die Standardmethode zur Untersuchung des Transports und der Dissipation von Rossby- und Schwerewellen entlang der Ebene zwischen verschiedenen Breitengraden und Höhen. Die Divergenz dieser Eliassen-Palm-Vektoren misst, wie stark diese Wellen die mittlere zonale Strömung, die sie transportiert, beschleunigen oder verlangsamen. Diese Messung ist entscheidend für das Verständnis dreier Phänomene: der plötzlichen Erwärmung der Stratosphäre, der Brewer-Dobson-Zirkulation und der Entstehung des polaren Jetstreams.

Eine dritte Methode, die quasi-geostrophische Potentialvorticity-Inversion, ermöglicht die Rekonstruktion von Wind- und Temperaturfeldern aus einem einzigen Feld – dem der Potentialvorticity – und trennt so innerhalb dieses Feldes das dynamische Gleichgewicht der Hintergrundströmung von den sich darauf ausbreitenden Wellenstörungen.

Eine vierte Methode, die Omega-Diagnostik, löst ein anderes Problem: Die vertikale Bewegung der Atmosphäre, ausgedrückt in Druckkoordinaten, ist keine Variable, die sich mit den meisten Beobachtungen direkt messen lässt. Daher verwendet die Omega-Diagnostik eine Gleichung, die diese vertikale Bewegung mit den beobachteten Wind- und Temperaturfeldern in Beziehung setzt. Aus dieser Beziehung leitet sie die vertikale Bewegung ab, die weder Radiosonden noch Satelliten direkt gemessen haben.

Somit gehen die vier Wellen- und Zirkulationsdiagnosetechniken – Wheeler-Kiladis-Raumzeit-Spektralanalyse, Eliassen-Palm-Vektoren, quasi-geostrophische potentielle Vorticity-Inversion und Omega-Diagnostik – alle von denselben dreidimensionalen Wind-, Temperatur- und Druckfeldern aus und verfolgen alle dasselbe Ziel: die Identifizierung der dynamischen Strukturen, die Wetter und Klima bestimmen, sei es auf der Skala eines synoptischen Systems von wenigen Tagen oder auf der planetaren Skala von Wochen und Monaten.

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