Modelling and parametrization of turbulent convective processes over leads in sea ice

Abstract

Im Nord- und Südpolarmeer ist das Klimasystem der Erde durch viele unterschiedliche Wechselwirkungsprozesse zwischen Atmosphäre, Ozean und Meereis geprägt. Die Meereisbedeckung spielt dabei durch ihren isolierenden Effekt und dem folglich minimierten Austausch zwischen Ozean und Atmosphäre eine wichtige Rolle. Nichtsdestotrotz, auch in der kalten Jahreszeit mit großflächiger Meereisbedeckung ist ein starker turbulenter Transport von Wärme und Feuchte zwischen dem relativ warmen Ozean hinein in die kalte Atmosphäre möglich, zum Beispiel durch längliche Öffnungen (Rinnen) im Meereis. Der konvektive Transport über Rinnen wird durch starke Temperaturunterschiede verursacht, was zu konvektiven Plumes mit verstärkter Turbulenz und einem starken Einfluss auf die Charakteristika der atmosphärischen Grenzschicht führt. Dieser Einfluss hängt wiederum von der Rinnengeometrie und den meteorologischen Bedingungen ab. Verständnis und Quantifizierung dieser eher kleinskaligen Prozesse sind entscheidend, um Modellergebnisse zu verbessern, was auch die Ergebnisse großskaliger (Klima-)Modelle betrifft.

Diese Dissertation beinhaltet eine detaillierte Untersuchung der Strömung über Rinnen, vornehmlich mithilfe von kleinskaliger numerischer Modellierung. Durch die im Modell verwendete Gittergröße können konvektive Plumes aufgelöst werden, nicht jedoch einzelne turbulente Wirbel, was eine Parametrisierung turbulenter Flüsse sowie eine Validierung der zugehörigen Ergebnisse vonnöten macht. Hauptsächlich geht es in dieser Arbeit um die Herleitung einer verbesserten Parametrisierung der turbulenten Flüsse über Rinnen mit verschiedener Breite. Idealisierte und beobachtete Fälle werden unter Verwendung der neuen und bereits existierender Parametrisierungen simuliert und mithilfe von Referenzdaten evaluiert. Des weiteren wird eine vorläufige Studie durchgeführt, mit der mögliche Auswirkungen von kleinskaligen, rinnengenerierten atmosphärischen Prozessen auf größeren Skalen gezeigt werden.