Unter atmosphärischen Zirkulationsregimen
versteht man bevorzugte quasi-stationäre Zustände der atmosphärischen
Zirkulation auf der planetaren Skala, die für eine bis mehrere Wochen
persistieren können.
Klimaänderungen, ob natürlich entstanden oder anthropogen verursacht,
äußern sich in erster Linie durch Änderungen der
Auftrittswahrscheinlichkeiten der natürlichen Regime.
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In der vorliegenden Arbeit wurden dynamische Mechanismen
des Regimeverhaltens und der dekadischen Klimavariabilität der
Atmosphäre bei Abwesenheit zeitlich veränderlicher externer Einflussfaktoren
untersucht.
Das Hauptwerkzeug dafür war ein
quasi-geostrophisches Dreischichtenmodell der winterlichen
atmosphärischen Zirkulation auf der Nordhemisphäre, das eine spektrale
T21-Auflösung, einen orographischen und einen zeitlich
konstanten thermischen Antrieb mit nicht-zonalen Anteilen besitzt. Ein
solches Modell vermag großskalige atmosphärische Strömungsvorgänge
außerhalb der Tropen mit einiger Genauigkeit zu simulieren.
Nicht berücksichtigt werden Feuchteprozesse, die Wechselwirkung der
Atmosphäre mit anderen Teilen des Klimasystems sowie anthropogene Einflüsse.
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Für das Dreischichtenmodell wurde ein automatisiertes, iteratives Verfahren
zur Anpassung des thermischen Modellantriebs neu
entwickelt. Jede Iteration des Verfahrens besteht aus einer
Testintegration des Modells, ihrer Auswertung, dem Vergleich
der Ergebnisse mit den NCEP-NCAR-Reanalysedaten aus den Wintermonaten
Dezember, Januar und Februar sowie einer auf diesem Vergleich basierenden
Antriebskorrektur. Nach Konvergenz des Verfahrens stimmt das Modell sowohl
bezüglich des zonal gemittelten
Klimazustandes als auch bezüglich der zeitgemittelten nicht-zonalen
außertropischen diabatischen
Erwärmung nahezu perfekt mit den wintergemittelten Reanalysedaten überein.
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In einer 1000-jährigen Simulation wurden die beobachtete mittlere Zirkulation
im Winter sowie ihre Variabilität realitätsnah reproduziert, insbesondere
die Arktische Oszillation (AO) und ihre vertikale Ausdehnung. Der
AO-Index des Modells weist deutliche dekadische Schwankungen auf,
die allein durch die interne Modelldynamik bedingt sind. Darüber
hinaus zeigt das Modell ein Regimeverhalten, das gut mit den Beobachtungsdaten
übereintimmt. Es besitzt ein Regime, das in etwa der
negativen Phase der Nordatlantischen Oszillation (NAO) entspricht und eines,
das der positiven Phase der AO ähnelt.
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Eine weit verbreitete Hypothese ist die näherungsweise
Übereinstimmung zwischen Regimen und stationären Lösungen der
Bewegungsgleichungen. In der vorliegenden Arbeit wurde diese
Hypothese für das Dreischichtenmodell überprüft, mit negativem Resultat.
Es wurden mittels eines Funktionalminimierungsverfahrens sechs verschiedene
stationäre Zustände gefunden. Diese sind allesamt durch eine äußerst
unrealistische Zirkulation gekennzeichnet und sind daher weit vom
Modellattraktor entfernt. Fünf der
sechs Zustände zeichnen sich durch einen extrem starken subtropischen Jet
in der mittleren und obereren Modellschicht aus.
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Da die Ursache des Regimeverhaltens des Dreischichtenmodells
nach wie vor unklar war, wurde auf ein einfacheres Modell, nämlich ein
barotropes Modell mit T21-Auflösung zurückgegriffen. Für die
Anpassung des Oberflächenantriebs wurde
eine modifizierte Form der iterativen Prozedur verwendet.
Die zeitgemittelte Zirkulation des barotropen Modells stimmt sehr gut
mit der zeitlich und vertikal gemittelten Zirkulation des
Dreischichtenmodells überein. Das dominierende räumliche Muster der
Variabilität besitzt eine AO-ähnliche Struktur. Zudem
besitzt das barotrope Modell zwei Regime, die näherungsweise der
positiven und negativen Phase der AO entsprechen und somit auch
den Regimen des Dreischichtenmodells ähneln.
Im Verlauf der Justierung des
Oberflächenantriebs konnte beobachtet werden, dass die zwei Regime
des barotropen Modells
durch die Vereinigung zweier koexistierender Attraktoren entstanden.
Der wahrscheinliche Mechanismus der Attraktorvereinigung ist eine
Randkrise eines der beiden Attraktoren, gefolgt von einer explosiven
Bifurkation des anderen Attraktors.
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Es wird die Hypothese aufgestellt, dass der beim barotropen Modell
vorgefundene Mechanismus der Regimeentstehung für atmosphärische
Zirkulationsmodelle mit realitätsnahem Regimeverhalten
Allgemeingültigkeit besitzt. Gestützt wird die Hypothese durch vier
Experimente mit dem
Dreischichtenmodell, bei denen jeweils der Parameter der
Bodenreibung verringert und die
Antriebsanpassung wiederholt wurde. Bei diesen Experimenten erhöhte sich die
Persistenz und die Separiertheit der Regime bei abnehmender Reibung drastisch
und damit auch der Anteil dekadischer Zeitskalen an der
Variabilität. Die Zunahme der Persistenz der Regime ist charakteristisch für
die Annäherung an eine inverse innere Krise, deren
Existenz aber nicht nachgewiesen werden konnte. / Preferred quasi-stationary states of the planetary-scale atmospheric
circulation, which may persist for one or several weeks, are referred to as
atmospheric circulation regimes. Climate variations, either natural or
anthropogenic, manifest themselves mainly in changes of the frequencies of
occurrence of the natural regimes.
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In the presented work, dynamical mechanisms of regime behavior and decadal
climate variability of the atmosphere in absence of time-varying external
forcing factors have been examined using a
quasi-geostrophic three-level model of the wintertime atmospheric circulation
over the northern hemisphere. This model has spectral T21 resolution, an
orographic and
a time-constant thermal forcing including non-zonal components. Such kind of a
model is able to simulate large-scale extratropical atmospheric processes with
reasonable accuracy. However, moisture processes, the interaction between the
atmosphere and other parts of the climate system, and anthropogenic influences
are not accounted for.
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For the three-level model, a novel, automated, iterative procedure for the
tuning of the thermal forcing has been developed. Every iteration of the
procedure consists of a model test run, its evaluation, the comparison of
the results with NCEP-NCAR reanalysis data for the winter months December,
January, and February, and a forcing correction based on this
comparison. After convergence of the procedure, the model matches the
reanalysis data almost
perfectly, as far as it concerns the zonal mean climate
state and the time-mean non-zonal extratropical diabatic heating.
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In a 1000-year simulation, the observed time-mean circulation in winter as
well as its variability have been reproduced with considerable realism, in
particular the Arctic Oscillation (AO) and its deep vertical extent. The
modeled AO index exhibits pronounced decadal variations, exclusively caused
by internal model dynamics. Furthermore, the model's regime behavior is in
good agreement with observations. It possesses one regime resembling the
negative phase of the North Atlantic Oscillation (NAO) and another resembling
the positive phase of the AO.
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A well-known hypothesis is the approximate correspondence between regimes and
stationary solutions of the equations of motion. In the presented work, this
hypothesis has been checked for the three-level model, but with negative
result.
Using a functional minimization method, six steady states have been found.
All of them correspond to an extremely unrealistic circulation, and thus they
are far away from the model's attractor. Five of the six steady states are
characterized by a strongly exaggerated subtropical jet in the middle and
upper model level.
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As the origin of regime behavior was still unclear, a simpler model, namely
a T21 barotropic model, has been reverted to. For the adaptation of the
surface forcing, a modified version of the tuning procedure has been applied.
The time-mean circulation of the barotropic model matches the temporally and
vertically averaged circulation of the three-level model very well. The
dominant spatial pattern of variability has an AO-like structure. Furthermore,
the barotropic model possesses two regimes which approximately correspond
to the positive and negative AO phase and therefore resemble the regimes of
the three-level model. During the tuning of the surface forcing it has been
observed that the two regimes of the barotropic model have emerged from the
unification of two coexisting attractors. The mechanism responsible for this
attractor merging is probably a boundary crisis of one of these attractors,
followed by an explosive bifurcation of the other attractor.
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It is hypothesized that the mechanism of regime genesis found in the
barotropic model is universally valid for atmospheric circulation models
with realistic regime behavior. This hypothesis is supported by four
experiments with the three-level model, where the surface friction parameter
has been decreased and the tuning procedure has been repeated, respectively.
In these experiments, the persistence and separation of the regimes
increases dramatically with decreasing friction, and thereby the fraction of
decadal-scale variability. The increase of regime persistence is characteristic
of approaching an inverse interior crisis, the existence of which, however,
could not be proven.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:598 |
| Date | January 2005 |
| Creators | Sempf, Mario |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Physik und Astronomie |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | German |
| Detected Language | English |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://opus.kobv.de/ubp/doku/urheberrecht.php |
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