Modelling and parameterization of lead generated turbulence in the atmospheric boundary layer over Antarctic sea ice
Final Report Abstract
Im polaren Meereis formen sich auch im Winter eisfreie oder mit dünnem Neueis bedeckte kanalartige Rinnen. Da deren Oberflächentemperatur zwischen Oktober und Mai weit großer als diejenige der darüberströmenden sehr kalten Luftmassen ist, bilden sich konvektive Plumes. Das übergeordnete Ziel des Projektes war es, ein verbessertes Verständnis dieser Plumebildung und die Wechselwirkung zwischen Konvektion über Rinnen mit der umgebenden Grenzschicht zu erlangen. Darauf basierend sollten Parametrisierungen des turbulenten Austausches zunächst für kleinskalige Modelle entwickelt werden. Deren kostengünstiger Einsatz soll in Kombination mit hochauflösender Modellierung langfristig die Entwicklung von Parametrisierungen des Rinneneinflusses in Wetter- und Klimamodellen erleichtern. Das Projekt umfasste im Detail folgende Fragestellungen/Ziele: 1. Wie hängen die konvektiven Prozesse und ihr Einfluss auf die Energiebilanz in der Grenzschicht uber Eisrinnen von der Rinnengeometrie (insbesondere Rinnenbreite) ab? 2. Welchen Einfluss hat das vertikale Entrainment auf die Grenzschichterwärmung, wenn die konvektiven Plumes die abschließende Inversion erreichen? 3. Wie wirken sich unterschiedliche Anströmgeschwindigkeiten und -richtungen aus? 4. Wie wirkt sich die Stärke der thermischen Stabilität stromaufwärts der Rinne aus? 5. Wie entstehen die über Rinnen oft beobachteten Seerauchstreifen bzw. hiermit einhergehende Strömungungsstruktur? 6. Welche Rolle spielt die Eistopographie in der Umgebung von Rinnen? 7. Wie sieht die Verteilung der Rinnenbreite über den polaren Ozeanen aus? Diese Fragen wurden mit einem Large-Eddy-Simulationsmodell (LES-Modell) (LUH) und einem mikroskaligen Modell (AWI) sowie mit Mitteln der Fernerkundung an der Universität Hamburg untersucht. Es wurden zahlreiche Ergebnisse erzielt und in anerkannten Journals publiziert. Das wichtigste Ergebnis ist die Entwicklung einer sog. nichtlokalen Parametrisierung für kleinskalige Modelle, die nun anders als frühere Parametrisierungen die Rinnenbreite, Stabilität der Anströmung sowie das vertikale Entrainment an der Grenzschichtinversion einbezieht. Sie erwies sich als robust gegenüber einer Variation der externen Bedingungen wie Anströmgeschwindigkeit und thermischer Stabilität. Es konnte gezeigt werden, dass bei gegebener Eisbedeckung in einem Gebiet die Transporte von Anzahl und Breite der Rinnen abhängen. Dies ist ein für die Klimamodellierung wichtiges Ergebnis, und der gewonnene Datensatz lasst sich diesbezüglich in der Zukunft für eine, dieses Phänomen berucksichtigende Parametrisierung des Rinneneinflusses in Klimamodellen nutzen. Basierend auf Satellitendaten (Sentinel-2) konnte erstmals die Verteilung der Rinnenbreiten über der antarktischen Weddellsee bestimmt werden. Die Kenntnis solcher Verteilungen lässt sich zukünftig mit unserer rinnenbreitenabhangigen Parametrisierung verbinden, wofür aber weitere Schritte erfolgen müssen.
Publications
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(2020), Influence of lead width on the turbulent flow over sea ice leads: Modeling and parametrization, J. Geophys. Res., 125, e2019JD031996
Michaelis, J., Lüpkes, C., Zhou, X., Gryschka, M., Gryanik, V. M.
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(2020): Unmanned Aerial Systems for Investigating the Polar Atmospheric Boundary Layer—Technical Challenges and Examples of Applications , Atmosphere, 11 (4)
Lampert, A. , Altstädter, B. , Bärfuss, K. , Bretschneider, L. , Sandgaard, J. , Michaelis, J. , Lobitz, L. , Asmussen, M. , Damm, E. , Käthner, R. , Krüger, T. , Lüpkes, C. , Nowak, S. , Peuker, A. , Rausch, T. , Reiser, F. , Scholtz, A. , Sotomayor Zakharov, D. , Gaus, D. , Bansmer, S. , Wehner, B. and Pätzold, F.
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Modelling and parametrization of turbulent convective processes over leads in sea ice, 2020, Universität Bremen
Janosch Michaelis
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(2021), Modelling and parametrization ¨ of the convective flow over leads in sea ice and comparison with airborne observations, Q J R Meteorol Soc. 1-31
Michaelis, J., Lüpkes, C., Schmitt, A.U., Hartmann, J.
