Three-dimensional ray-tracing simulations of convective gravity waves

Aufgrund ihrer Bedeutung fur grosskalige Zirkulationen und das Energie- und Impulsbudget der mittleren Atmosphare, sind Schwerewellen, unter Verwendung von in-situ- und Satellitenmessungen, bereits seit langerer Zeit Objekt intensiver Forschung. Diese Messungen zeigen unter anderem, dass die horizontale Wellenlange einer typischen Schwerewelle auch im Bereich von nur einigen Kilometern liegen kann, weshalb sie von Atmospharenmodellen (GCM)s nicht direkt aufgelost werden konnen. Aus diesem Grunde werden ihre Ausbreitung und Interaktion mit dem atmospharischen Hintergrund parameterisiert. Diese Schwerewellenparameterisierungen spielen fur heutige GCMs eine so grose Rolle, da sie nicht nur das Gesamtenergie- und Impulsbudget der mittleren Atmosphare beeinflussen, sondern sich daruber hinaus direkt auf die Dynamik des Modells auswirken. Aus verschiedenen technischen Grunden wird die Ausbreitung von Schwerewellen dabei in den meisten Parameterisierungen auf eine rein vertikale Ausbreitung beschrankt. Im Vergleich zu einer korrekt modellierten dreidimensionalen Ausbreitung ergeben sich daraus signifikante Abweichungen in den Impulsfluss- und Schwerewellendragverteilungen. Diese Abweichungen wurden im Rahmen der vorliegenden Dissertation erstmals untersucht. So wurde fur den Fall dreidimensionaler Ausbreitung von Schwerewellen eine stets polwarts gerichtete Meridionalbeschleunigung gefunden. Weiterhin lasst sich eine polwarts Verschiebung des Maximums der Zonalbeschleunigung in der Winterhemisphare feststellen. Eine weitere Vereinfachung heutiger Schwerewellenparameterisierungen findet sich in der Annahme einer homogenen und isotropen nichtorographischen Startverteilung, welche nicht in der Lage ist spezifische Schwerewellenquellen aufzulosen. Im Besonderen betrifft dies dynamische Quellen wie Konvektion, deren zeitabhangige Anregungsprozesse nicht durch eine statische Startverteilung wider gegeben werden konnen. Daher beschaftigt sich der zweite Teil dieser Dissertation mit der Untersuchung dieses Anregungsprozesses in der Troposphare und der sich daran anschliesenden Ausbreitung der konvektiv angeregten Schwerewellen, sowie der Bestimmung ihres Einflusses auf die mittlere Atmosphare. Zu diesem Zweck wurde das Schwerewellen ray-tracing Modell GROGRAT mit dem Yonsei Modell fur konvektive Anregung von Schwerewellen gekoppelt. Verbleibende freie Parameter wurden hierbei entsprechend vorhandener Beobachtungen eingestellt. Diese technische Entwicklungsarbeit fuhrte zu einem gekoppelten Modell, welches die Anregung von Schwerewellen durch einzelne Konvektionszellen bis hin zu grosskaligen Konvektionsclustern beschreibt. Au\ss{}erdem wurden vorhandene Beschrankungen von Satelliteninstrumenten berucksichtigt, so dass ein direkter Vergleich der Simulationsergebnisse mit Messungen moglich wurde. Der sogenannte observational filter eines Satelliteninstruments schrankt hierbei die Beobachtung von Schwerewellen auf solche mit einer horizontalen Wellenlange groser als ca. 100 km ein. Allerdings zeigen die Verteilungen von horizontalen Wellenlangen konvektiver Schwerewellen nicht zu vernachlassigende Beitrage im Bereich von Horizontalwellenlangen kurzer als 100 km. Der letzte Teil dieser Dissertation ist deshalb dieser Diskrepanz zwischen simuliertem und beobachtbarem Schwerewellenspektrum gewidmet. Der direkte Vergleich zwischen Simulation mit observational filter und Satellitenmessungen zeigt dabei eine bemerkenswerte Ubereinstimmung in den Impulsflussverteilungen.