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

Im Gebiet des Carpentaria Golfes im Norden Australiens entstehen
regelmäßig mesoskalige Konvergenzlinien in der unteren Troposphäre.
Diese produzieren gegen Ende der Trockenzeit oft spektakulären
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 während NACLs konvektive Wolkenlinien sind. Sie stehen
unter dem Verdacht, später im Jahr, während der Australische
Sommermonsun ruht, eine Reihe von Unwettern auszulösen, die ein
bedeutendes Vorhersageproblem für diese Region darstellen. Des
Weiteren stellt die einhergehende bodennahe Windscherung eine große
Gefahr für tieffliegende Flugzeuge dar. Um die Entstehung dieser
Konvergenzlinien mit bis dahin einmaliger Genauigkeit zu
dokumentieren, wurde im Herbst 2002 die internationale Meßkampagne
GLEX (Gulf Lines Experiment) durchgeführt. Das mesoskalige Modell
der Pennsylvania State University und des National Center for
Atmospheric Research, MM5, wird in dieser Arbeit für eine
Untersuchung dieser Linien benutzt. Da die Linien intrinsisch nicht
hydrostatisch sind, sollte das MM5 bei der geforderten hohen
horizontalen Auflösung als nichthydrostisches Modell in Vorhersage
und Modellierung den für frühere Studien verwendeten hydrostatisch
balancierten Modellen überlegen sein. Den zunächst vorgestellten
Fallstudien gingen Sensitivitätsstudien bezüglich der
Grenzschichtparameterisierung und der Bodenfeuchte voraus, die aber
aus Gründen der Lesbarkeit erst später beschrieben werden. Im
Rahmen der Fallstudien werden Modellergebnisse mit Ergebnissen aus
der Meßkampagne und verfügbaren Satellitenbildern verglichen, sowie
weitere Charakteristika der sich bildenden Linien untersucht. Das
Modell kann in der gewählten Konfiguration die Konvergenzlinien in
noch nie da gewesener Detailliertheit reproduzieren und die
Ergebnisse stimmen gut mit den Beobachtungen überein. Weitere
Ergebnisse dieser Studie bestätigen früher aufgestellte Theorien,
nach denen das nordöstliche Morning Glory und die NACL in Folge
eines Zusammenstoßes zweier Seebriesen über der Kap York Halbinsel
entstehen. Zum ersten Mal hat ein Modell zwei getrennte
Konvergenzlinien produziert, die dem nordöstlichen Morning Glory
und der NACL entsprechen. Als Trennungsmechanismus beider sich aus
der Ostküstenseebriese entwickelnden Konvergenzlinien wird hier
zunächst die Geometrie der Ostküste vorgeschlagen, die auf dem
Breitengrad, auf dem die Trennung im allgemeinen erfolgt, einen
ausgeprägten Knick aufweist. Für die Entstehung des südlichen
Morning Glorys wird eine erst kürzlich aufgestellte Theorie
bestätigt, in der die Kollision der südlichen Seebriese mit einer
sich von Süden her nähernden Front als Mechanismus angenommen wird.
Diese Front formiert sich am Abend entlang einer Troglinie, die ein
klimatisches Merkmal Queenslands ist. In einigen der Fälle wurden
Trockenlinien beobachtet, die auf das südliche Morning Glory
folgten. Auch diese stimmen im Modell gut mit den Beobachtungen
überein. Eines der seltener beobachteten südöstlichen Morning
Glories kann leider nicht vom Modell reproduziert werden. Als
Ursache wird vermutet, daß eine Troglinie im datenarmen Gebiet
südlich des Golfs von Carpentaria nicht korrekt in den
Anfangsbedingungen positioniert ist. Eine Untersuchung der Strömung
hinter den Konvergenzlinien zeigt, daß Morning Glories
Wellenphänomene sind. NACLs hingegen behalten den
Dichteströmungscharakter der Seebriese bei. Eine Sensitivitätstudie
bezüglich der Grenzschichtparameterisierung wird durchgeführt, weil
sich die hier untersuchten Phänomene in der planetaren Grenzschicht
abspielen. Eine Gruppe von Parametrisierungen stellt sich anderen
als überlegen heraus und als Grund für diese guten Ergebnisse wird
die Berücksichtigung der großräumigen Gradienten identifiziert, die
in den schlechter abschneidenden Parametrisierungen fehlt. Als
beste Parametrisierung wird das MRF Schema für alle weiteren
Simulationen ausgewählt. Eine Untersuchung der Sensitivität der
Ergebnisse bezüglich der Bodenfeuchte zeigt, daß die Seebriesen um
so schneller landeinwärts strömen, je trockener die
Bodenverhältnisse sind. Die Erklärung hierfür ist, daß ein größerer
Teil der eingehenden solaren Strahlung als fühlbare Wärme an die
Atmosphäre abgegeben wird und so die Seebriesenzirkulation
antreibt. Daraus resultiert, daß Morning-Glory Konvergenzlinien
sowohl intensiver sind, als auch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
größer ist wenn die Bodenfeuchte abnimmt. Ein solcher Zusammenhang
konnte für die NACLs nicht bestimmt werden. Eine optimale
Bodenfeuchte, mit der die Modellergebnisse am besten mit den
Beobachtungen übereinstimmen, kann leider nicht ermittelt werden,
da geeignete Methoden hierfür nicht zur Verfügung stehen. Die Güte
der Ergebnisse bezogen auf die Bodendruck an den einzelnen
Stationen des Experiments nimmt jedoch mit abnehmender Bodenfeuchte
zu. Da aber die geringst möglichen Werte unrealistisch sind
beziehungsweise keinen physikalischen Sinn haben und keine Meßdaten
vorhanden sind, wird für alle weiteren Simulationen ein Wert für
die Bodenfeuchte gewählt, wie er vom Australischen Wetterdienst
benutzt wird. Um einige der aufgezeigten Zusammenhänge noch
gründlicher zu untersuchen, wurden noch einige Modellexperimente
mit modifizierter Orographie durchgeführt. Diese zeigen, daß weder
Morning Glories noch NACLs entstehen, wenn keine Seebriese vom Golf
von Carpentaria landeinwärts strömt und mit der Ostküstenseebriese
beziehungsweise der sich von Süden her nähernden Kaltfront
kollidiert. Ein systematischer Zusammenhang zwischen Höhe der
Orographie und der Intensität oder der Geschwindigkeit der sich
bildenden Konvergenzlinien kann nicht festgestellt werden. Die im
Rahmen der Fallstudie aufgestellte Hypothese für die
Trennungsursache von NACL und nordöstlichem Morning Glory kann
nicht bestätigt werden und die horizontale Windscherung über der
Kap York Halbinsel wird stattdessen als Ursache vorgeschlagen.
Diese Hypothese wird durch die Ergebnisse eines Experiments mit
uniformer Strömung in westlicher Richtung bestätigt. In diesem
Experiment bildet sich nur eine Konvergenzlinie, die dem
nordöstlichen 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 unabhängige Konvergenzlinien bilden,
die dem nordöstlichen Morning Glory und der NACL entsprechen.