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

Im Gebiet des Carpentaria Golfes im Norden Australiens entstehen regelmasig mesoskalige Konvergenzlinien in der unteren Troposphare. Diese produzieren gegen Ende der Trockenzeit oft spektakularen 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 wahrend NACLs konvektive Wolkenlinien sind. Sie stehen unter dem Verdacht, spater im Jahr, wahrend der Australische Sommermonsun ruht, eine Reihe von Unwettern auszulosen, die ein bedeutendes Vorhersageproblem fur diese Region darstellen. Des Weiteren stellt die einhergehende bodennahe Windscherung eine grose Gefahr fur tieffliegende Flugzeuge dar. Um die Entstehung dieser Konvergenzlinien mit bis dahin einmaliger Genauigkeit zu dokumentieren, wurde im Herbst 2002 die internationale Meskampagne GLEX (Gulf Lines Experiment) durchgefuhrt. Das mesoskalige Modell der Pennsylvania State University und des National Center for Atmospheric Research, MM5, wird in dieser Arbeit fur eine Untersuchung dieser Linien benutzt. Da die Linien intrinsisch nicht hydrostatisch sind, sollte das MM5 bei der geforderten hohen horizontalen Auflosung als nichthydrostisches Modell in Vorhersage und Modellierung den fur fruhere Studien verwendeten hydrostatisch balancierten Modellen uberlegen sein. Den zunachst vorgestellten Fallstudien gingen Sensitivitatsstudien bezuglich der Grenzschichtparameterisierung und der Bodenfeuchte voraus, die aber aus Grunden der Lesbarkeit erst spater beschrieben werden. Im Rahmen der Fallstudien werden Modellergebnisse mit Ergebnissen aus der Meskampagne und verfugbaren Satellitenbildern verglichen, sowie weitere Charakteristika der sich bildenden Linien untersucht. Das Modell kann in der gewahlten Konfiguration die Konvergenzlinien in noch nie da gewesener Detailliertheit reproduzieren und die Ergebnisse stimmen gut mit den Beobachtungen uberein. Weitere Ergebnisse dieser Studie bestatigen fruher aufgestellte Theorien, nach denen das nordostliche Morning Glory und die NACL in Folge eines Zusammenstoses zweier Seebriesen uber der Kap York Halbinsel entstehen. Zum ersten Mal hat ein Modell zwei getrennte Konvergenzlinien produziert, die dem nordostlichen Morning Glory und der NACL entsprechen. Als Trennungsmechanismus beider sich aus der Ostkustenseebriese entwickelnden Konvergenzlinien wird hier zunachst die Geometrie der Ostkuste vorgeschlagen, die auf dem Breitengrad, auf dem die Trennung im allgemeinen erfolgt, einen ausgepragten Knick aufweist. Fur die Entstehung des sudlichen Morning Glorys wird eine erst kurzlich aufgestellte Theorie bestatigt, in der die Kollision der sudlichen Seebriese mit einer sich von Suden her nahernden Front als Mechanismus angenommen wird. Diese Front formiert sich am Abend entlang einer Troglinie, die ein klimatisches Merkmal Queenslands ist. In einigen der Falle wurden Trockenlinien beobachtet, die auf das sudliche Morning Glory folgten. Auch diese stimmen im Modell gut mit den Beobachtungen uberein. Eines der seltener beobachteten sudostlichen Morning Glories kann leider nicht vom Modell reproduziert werden. Als Ursache wird vermutet, das eine Troglinie im datenarmen Gebiet sudlich des Golfs von Carpentaria nicht korrekt in den Anfangsbedingungen positioniert ist. Eine Untersuchung der Stromung hinter den Konvergenzlinien zeigt, das Morning Glories Wellenphanomene sind. NACLs hingegen behalten den Dichtestromungscharakter der Seebriese bei. Eine Sensitivitatstudie bezuglich der Grenzschichtparameterisierung wird durchgefuhrt, weil sich die hier untersuchten Phanomene in der planetaren Grenzschicht abspielen. Eine Gruppe von Parametrisierungen stellt sich anderen als uberlegen heraus und als Grund fur diese guten Ergebnisse wird die Berucksichtigung der grosraumigen Gradienten identifiziert, die in den schlechter abschneidenden Parametrisierungen fehlt. Als beste Parametrisierung wird das MRF Schema fur alle weiteren Simulationen ausgewahlt. Eine Untersuchung der Sensitivitat der Ergebnisse bezuglich der Bodenfeuchte zeigt, das die Seebriesen um so schneller landeinwarts stromen, je trockener die Bodenverhaltnisse sind. Die Erklarung hierfur ist, das ein groserer Teil der eingehenden solaren Strahlung als fuhlbare Warme an die Atmosphare abgegeben wird und so die Seebriesenzirkulation antreibt. Daraus resultiert, das Morning-Glory Konvergenzlinien sowohl intensiver sind, als auch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit groser ist wenn die Bodenfeuchte abnimmt. Ein solcher Zusammenhang konnte fur die NACLs nicht bestimmt werden. Eine optimale Bodenfeuchte, mit der die Modellergebnisse am besten mit den Beobachtungen ubereinstimmen, kann leider nicht ermittelt werden, da geeignete Methoden hierfur nicht zur Verfugung stehen. Die Gute der Ergebnisse bezogen auf die Bodendruck an den einzelnen Stationen des Experiments nimmt jedoch mit abnehmender Bodenfeuchte zu. Da aber die geringst moglichen Werte unrealistisch sind beziehungsweise keinen physikalischen Sinn haben und keine Mesdaten vorhanden sind, wird fur alle weiteren Simulationen ein Wert fur die Bodenfeuchte gewahlt, wie er vom Australischen Wetterdienst benutzt wird. Um einige der aufgezeigten Zusammenhange noch grundlicher zu untersuchen, wurden noch einige Modellexperimente mit modifizierter Orographie durchgefuhrt. Diese zeigen, das weder Morning Glories noch NACLs entstehen, wenn keine Seebriese vom Golf von Carpentaria landeinwarts stromt und mit der Ostkustenseebriese beziehungsweise der sich von Suden her nahernden Kaltfront kollidiert. Ein systematischer Zusammenhang zwischen Hohe der Orographie und der Intensitat oder der Geschwindigkeit der sich bildenden Konvergenzlinien kann nicht festgestellt werden. Die im Rahmen der Fallstudie aufgestellte Hypothese fur die Trennungsursache von NACL und nordostlichem Morning Glory kann nicht bestatigt werden und die horizontale Windscherung uber der Kap York Halbinsel wird stattdessen als Ursache vorgeschlagen. Diese Hypothese wird durch die Ergebnisse eines Experiments mit uniformer Stromung in westlicher Richtung bestatigt. In diesem Experiment bildet sich nur eine Konvergenzlinie, die dem nordostlichen 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 unabhangige Konvergenzlinien bilden, die dem nordostlichen Morning Glory und der NACL entsprechen.