Boundary Layer Wind Balances and their Influence on Equatorial Sea Surface Temperatures

Abstract

Was machen äquatoriale Oberflächenwinde über dem Ozean so besonders – und warum verdienen sie unsere Aufmerksamkeit? Diese Oberflächenwinde wirken als Teil der Schnittstelle zwischen Ozean und Atmosphäre sowohl an ozeanischen als auch atmosphärischen Prozessen mit. Sie entziehen dem Ozean Wärme, übertragen diese in die darüberliegende Atmosphäre und treiben damit atmosphärische Dynamiken an, indem sie Oberflächentemperaturen, Feuchtigkeitsprofile und die Stabilität der Grenzschicht beeinflussen. Das Verständnis der Oberflächenwinde ist für Mechanismen des Energie-, Feuchtigkeits- und Impulsaustauschs in tropischen Regionen elementar.

Obwohl bekannt ist, dass temperaturbedingte Druckgradienten die Windrichtung in der äquatorialen Grenzschicht vorgeben, fehlt es an einer gründlichen Quantifizierung des Impulses in der Grenzschicht, der Windgeschwindigkeit und -richtung bestimmt. Klimamodelle beruhen oft auf einer vereinfachten Annahme bei der Parametrisierung der Oberflächenaustauschkoeffiziente für Regime mit niedrigen Windgeschwindigkeiten, wodurch Prozesse gefördert werden sollen, die nur schwer aufzulösen sind. Der Austausch von Energie, Feuchtigkeit und Impuls zwischen Atmosphäre und Ozean beeinflusst die Oberflächendruckverteilung, aber das Verständnis der Oberflächendruckmuster bleibt unvollständig.

Ich untersuche in dieser Dissertation, wie die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Ozean die äquatorialen Winde in der Grenzschicht und den Oberflächendruck beeinflussen. Zunächst quantifiziere ich die Beiträge des horizontalen und vertikalen Impulstransports zu den Grenzschichtwinden mit Hilfe des sturmauflösenden ICON-Modells in einer gekoppelten Atmosphäre-Ozean-Land-Konfiguration mit einer horizontalen Auflösung von 5km quantifiziert. Es wird gezeigt, dass der horizontale und vertikale Impuls in der gleichen Größenordnung vorliegt wie die Druckgradientenkraft. Ich identifiziere zwei anhaltende Windmuster - zonal und meridional -, die durch Oberflächentemperaturen-Gradienten und Impulsprozesse angetrieben werden, was mich zur Entwicklung eines Windmodells führt, das diese Antriebskräfte widerspiegelt.

Darauf aufbauend untersuche ich die Rolle der Winde bei der Gestaltung des Oberflächendrucks und untersuche ihre Beziehung zu den Oberflächenaustauschkoeffizienten. Unter Verwendung von ICON in einer reinen Atmosphären-Land-Konfiguration mit 10km horizontaler Auflösung habe ich die Oberflächenaustauschkoeffizienten für schwache Windbedingungen erhöht. Ich verwende ERA5 Reanalysedaten, um meine Ergebnisse zu vergleichen und stelle verstärkte Druckgradienten und tiefere atmosphärische Konvektion fest. Dadurch wird deutlich, wie kleinskalige Oberflächenprozesse die großskalige atmosphärische Dynamik antreiben können.

Meine Ergebnisse tragen zu einer ganzheitlicheren Betrachtung der Grenzschichtwinde als Vermittler zwischen dem Ozean und der Atmosphäre bei. Sie werden durch Prozesse an der Meeresoberfläche und in der freien Troposphäre angetrieben, tragen aber auch zur Gestaltung dieser Systeme bei. Ich bewerte die Aufteilung des windgetriebenen Impulses neu und betone die Rolle der Oberflächendruckverteilung. Ich decke Prozesse auf, die nicht nur die Grenzschicht beeinflussen, sondern auch vertikale Profile der Dichte und Konvektion in der Troposphäre formen. Dennoch bleiben die treibenden Kräfte der zugrundeliegenden Meeresoberflächentemperatur, die die untere Randbedingung für die Grenzschicht darstellt, eine offene und herausfordernde Frage für zukünftige Forschung.