Strömungsmechanik

Quasi-Biennial-Oscillations (QBO) Mischung und Grundstromanregung durch propagierende Trägheitswellen: Theorie, Experiment und Simulation (HA2932/6-1)

Die großskalige Zirkulation der Atmosphäre und der Ozeane wird von einer Vielzahl von Prozessen organisiert. Ein wichtiger Teil dieser Organisation wird von Wellen bewerkstelligt, die Impuls transportieren und lokal an die Umgebung abgeben können. So entstehen wellengetriebene langsam variierende mittlere Strömungen (Grundströmungen genannt), die sowohl für Wetter- und Klimaprozesse, als auch für die Dynamik der Ozeane eine herausragende Rolle spielen. Das hier vorgestellte interdisziplinär angelegte Projekt will zum Verständnis wellengetriebener Grundströme der äquatorialen Stratosphäre (quasi-biennial oscillation, kurz QBO) und der ozeanischen äquatorialen Tiefenströme (equatorial deep jets, kurz EDJs) beitragen.

Im Zentrum des Vorhabens stehen Labor- und Computerexperimente mit einem flüssigkeitsgefüllten rotierenden Zylinderspalt. In der geophysikalischen Hydrodynamik spielt die Rotation der Erde und damit verbundene Trägheitsbewegungen eine wichtige Rolle. Daher soll bei unserem Experiment der Rotation der Flüssigkeit die dominante Rolle bei der Grundstromanregung zukommen und nicht, wie im "klassischen" QBO-Experiment von Plumb und McEwan (J. Atmos. Sci., 35, 217-229), der Schichtung der Flüssigkeit. Die Rolle der Schwerewellen übernehmen in unserem Experiment die Trägheitwellen, welche durch eine zeitlich modulierte Rotation angeregt werden können. Die Sensitivität von wellengetriebenen Grundströmen gegenüber einer Variation der Ekmanzahl (Verhältnis aus Viskosität des Fluids und Winkelgeschwindigkeit des Zylinders) ist von besonderem Interesse. Wir wollen klären, ob bei großer Ekmanzahl eine dissipative Grundstrom-Welle-Wechselwirkung wie bei dem "klassischen" nicht-rotierenden QBO-Experiment zu beobachten ist. Wir wollen zudem prüfen, ob bei kleiner Ekmanzahl und der daraus resultierenden Entwicklung interner Grenzschichten eine Grundströmung angeregt wird und wenn ja, ob die Strömungsmuster qualitativ anders sind als bei der dissipativen Wechselwirkung.

Das Laborexperiment wird begleitet von einer theoretischen Analyse und hochauflösenden numerischen Simulationen. Die numerischen Simulationen werden mit einem Löser hoher Ordnung durchgeführt, der ursprünglich für die Turbulenzforschung entwickelt wurde. Eine große Anzahl von numerischen "Experimenten" mit unterschiedlicher Ekmanzahl ist durchführbar. Darüber hinaus liefert eine hohe räumliche Auflösung einen Einblick in die Feinstruktur von internen Grenzschichten und deren zeitlicher Entwicklung, der experimentell nicht möglich ist.

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