Geophysical Fluid Dynamics

Atmosphärenströmungen

Basis unserer theoretischen Untersuchungen ist ein vereinheitlichter analytischer Ansatz, [1,2,3,4], der die Techniken der Asymptotik, [5], nutzt, um die Vielfalt skalen­abhängiger Phäno­mene in der Atmosphäre zu charakterisieren. Wichtige bisher auf diesem Weg erzielte Ergebnisse sind

Theorie:

- Modellgleichungen für die planetare Strömungsdynamik, [6,7,8], wie sie etwa für Anwendungen in der Klimaforschung relevant sind, [9],

 

Änderung der mittleren Lufttemperatur in Boden­nähe im Jahr 2100 für ein Standard-CO2-­Emissions­szenario.­­ (Bild zur Ver­fü­gung gestellt von S. Rahmsdorf, Pots­dam-Insti­tut für Klima­fol­gen­for­schung)

 

 

 

 

- eine Theorie für die Bewegung von Wirbel​stürmen, die zeigt, wie deren interne Strömungs​­strukur, die Neigung ihrer gedachten Zentral​linie gegen die Vertikale und die Hintergrund​strömung interagieren und dabei die effektive Bewegungs​­richtung und -geschwin​digkeit des Wirbels festlegen, [10,11],

- zwei mathematische Modelle für das Verhalten hochreichender Konvektionszellen und deren Wechselwirkung mit der umgebenden Atmosphäre, [12,13,14,15],

 

Theorie und Simulation hochreichender Wolkentürme

Wolken spielen sowohl im täglichen Wetter​­gesche​hen als auch in der lang​­fristigen Klima​­entwicklung eine zen​trale Rolle. Sie bilden ein Feuchte​reser​voir, das mit dem Wind trans​­por​tiert wird, sie stellen die Vor​­stufe für die Nieder​­schlags​­bil​dung dar und über Reflek​­tion, Ab­sorp​­tion und Trans​­mis​sion von elektro​­magnetischen Wellen im sicht​­baren und infra​­roten Bereich grei​fen sie direkt in den Wärme​­haus​halt der Atmos​­phäre ein.

In der Theoriebildung und Computer​simu­lation stellen Wolken eine beson​­dere Heraus​­forderung dar, weil sie durch das Zusam​­men​­spiel einer Viel​­zahl von Einzel​pro​zessen bestimmt wer​den. Von diesen spie​len sich manche im Größen​­bereich klein​ster Wolken​­was­ser​­tröpf​­chen (eini-​ge Mikro​me​ter), andere im Größen​­be​reich typischer turbulenter Stömungs​­schwan​­kungen (einige Meter) und wieder andere im Bereich der Abmessungen typischer Cumu​­lus-Wolken (ein bis zehn Kilometer) ab. Grosse Strato­cu​mulus-​Wolken​­decken über den Ozeanen er​­strecken sich sogar über meh​­rere tau​send Kilo​­meter. Wolken​­pro​zesse gehören damit zu den soge​­nannten "Mehr​­skalen​­problemen", denen Natur-​wissen​­schaftler und Mathe​­ma​tiker heute mit großem Engage​­ment nach​spüren.

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- reduzierte Modellgleichungen für die Struktur und zeitliche Entwicklung verschiedener Typen atmosphärischer Grenzschichten, inclusive, in einem Fall, einer Analyse von Modellunsicherheiten, [16,17,17a],

Auswirkungen von Oberflächen auf atmosphärische Grenzschichtströmungen

In dieser Arbeit wird unter­sucht, wie die Erd​­ober​­fläche auf At­mosphären​­strö­mungen ein​­wirkt und wie Un­regel​­mäßig​­kei­ten von Oberflächen die Ge­nauig​­keit von Grenz​­flächen​­model​­len be­ein​­flussen.

Die Mehr­skalen-Asymp­to­tik wird an­ge​w­en­det, um Grenz​­schicht​pro­zesse zu mo­del​­lieren, die so­wohl Zeit- und Raum​­skalen, als auch deren nicht-li­neare Wechselwir­kungen er­fassen.

Die „poly­no­mische Chaos-​Me-​tho­de“ wird ein​­ge­setzt, um Un-​­sicher​­hei­ten in Strö​­mungen als stocha­s​ti­sche Ein​­gabe, z.B. zu Ober​­flächen​­rau​­heiten zu behandeln. Eines der Ziele die​ser Forschung ist es, die Dar​­stel­l​ung von Grenz​­flächen​­pro​zes­sen in nume­ri​schen Mo­del​len zu ver­bes​­sern und geeig​­nete Kopp​­lungs​­stra­te​­gien zwischen Grenz​­schicht​­mo​del­len und Tropo­s​phären​­model­len zu en­twickeln.

Wir hoffen, dass dieses Vor­gehen neue Mög­lich​­keiten in der Wetter- und Klima​­simu​­lation eröffnet.

 


- eine kritische Diskussion, [18], der etablierten Literatur zur Klasse der "schallfreien Modelle", zu denen verschiedene Versionen von anelastischen [19,20,21,22] und das pseudo-inkompressible Modell, [23], gehören.

- Stochastische Modelle, die verschiedene klimarelevante Aspekte der Wetterstatistik und planetaren Strömungsmechanik effizient wiedergeben, [24,25,26,27].

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Vollständige Publikationsliste der Arbeitsgruppe