Der lange Atem der Grenzschicht-Physiker

19. Januar 2022

Klimamodelle zu verbessern, ist definitiv keine Aufgabe für Menschen, die schnellen Erfolgen hinterherjagen. Stattdessen braucht es Hartnäckigkeit, Detailverliebtheit und eine ungemeine Ausdauer, wie die Ergebnisse eines deutsch-russischen Kooperationsprojektes jetzt zeigen. Forschenden des Alfred-Wegener-Institutes und ihren russischen Kollegen ist es darin gelungen, das regionale AWI-Klimamodell für die Arktis entscheidend zu optimieren – mit vereinfachten Gleichungen für die Berechnung von Wärme- und Impulsflüssen in der sogenannten Grenzschicht.

Die wenigsten Menschen wissen wahrscheinlich, dass sich die bodennahe Luftschicht der Atmosphäre – also jene Luftschicht, in der wir geboren werden, leben und sterben – ständig verändert. Nicht etwa nur, weil sich der Wind dreht, die Jahreszeiten wechseln, Vögel fliegen oder aber Motoren und Schlote Abgase in die Atmosphäre pusten, sondern weil diese erste Luftschicht über dem Boden maßgeblich von der Erdoberfläche beeinflusst wird.

Nur ein Beispiel: Steigt morgens die Sonne über den Horizont, erwärmt ihre Strahlung die Erdoberfläche. Diese wiederum gibt dann wie eine Herdplatte Wärme an die angrenzende Luftschicht ab, sodass sich deren Luftmassen erwärmen und in kleinen schlauchförmigen Wirbeln aufsteigen. „Dieses Aufsteigen der Luftmassen führt dazu, dass die gesamte untere Luftschicht durchmischt und Wärme und Feuchtigkeit transportiert werden. Das heißt, es werden Prozesse angestoßen, die unser Wetter und Klima maßgeblich mitbestimmen“, sagt Dr. Christof Lüpkes, Atmosphärenphysiker am Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Institut für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven.

Er beschäftigt sich seit mehr als 30 Jahren mit der Grenzschicht unserer Atmosphäre – also jener unteren Luftschicht, die von der Erdoberfläche beeinflusst wird, sei es durch Wärmeflüsse oder aber durch Impulsflüsse. Letztere kennen Physik-Novizen eventuell vom bekannten Kugelstoßpendel. Gemeint ist jener Versuchsaufbau, in dem eine frei schwingende Kugel seitwärts gegen eine oder mehrere nebeneinander hängende Kugeln im Ruhestand prallt und ihren Schwung – Experten sagen Impuls – an diese weitergibt. Die äußere der ruhenden Kugeln schwenkt daraufhin aus. „Luftströmungen in großer Höhe geben ihren Impuls auf die gleiche Weise an tieferliegende Luftschichten weiter und diese dann an das Meereis oder aber an den Erdboden. Für Grenzschicht-Prozesse spielen Impulsflüsse deshalb eine ganz wesentliche Rolle“, sagt Christof Lüpkes.

Grenzschicht: Stabil oder labil? Eine für Klimamodelle entscheidende Frage

In Mitteleuropa kann die atmosphärische Grenzschicht an warmen Tagen bis in eine Höhe von 1000 Metern reichen und von sehr vielen Wirbeln durchzogen sein. Meteorologen sprechen dann von einer konvektiven oder aber labilen Schichtung. Über den Eisflächen der Arktis hingegen wird die Grenzschicht oft nicht dicker als 30 bis 400 Meter; manchmal misst sie auch nur wenige Meter und liegt quasi auf dem Eis auf. Dafür aber ist sie die längste Zeit des Jahres ausgesprochen stabil geschichtet. Das heißt, die Luftschicht wird kaum von aufsteigenden Wirbeln durchmischt, weil die Lufttemperatur aufgrund der kalten Oberfläche mit der Höhe zunimmt. Hierdurch verliert ein eventuell aufsteigendes Luftpaket schnell seinen Wärmeüberschuss im Vergleich zur Umgebung und kann nicht weiter aufsteigen. Verwirbelungen, die in einer thermisch stabilen Grenzschicht angestoßen werden, klingen somit nach kurzer Zeit wieder ab und verpuffen in ihrer Wirkung. Eine stabile Grenzschicht behindert auf diese Weise den Wärme- und Impulsaustausch zwischen Eis, Ozean und Atmosphäre.

Diese physikalischen Besonderheiten der arktischen Grenzschicht werfen für Christof Lüpkes seit Jahrzehnten viele Fragen auf – im Detail ebenso wie im Kontext des Klimawandels. Wenn die Grenzschicht stabil ist und wie ein Schutzschild auf Eis und Meer liegt, auf welche Weise tauschen Eis, Ozean und höhere Atmosphäre dann Wärme, Feuchtigkeit und Impulsflüsse aus? Welche Umweltparameter spielen dabei eine entscheidende Rolle? Sind es die Temperaturgegensätze zwischen Eis (minus 20 Grad Celsius) und offenem Wasser (minus 1,8 Grad Celsius) – oder spielt die Beschaffenheit der Meereisoberfläche eine Rolle? Sogenannte Eisrücken, die Oberflächenströmungen ablenken und dadurch Wirbel hervorrufen können, türmen sich mittlerweile vielerorts auf, weil das Eis dünner und damit schneller und beweglicher wird. „Dadurch verändert sich die Oberflächenrauigkeit des Eises“, sagt Christof Lüpkes.

Unklar ist zudem, wie unter stabilen Grenzschichtbedingungen Wärme, die in großer Höhe aus den mittleren Breiten in die Arktis einwandert, an die Eisoberfläche gelangt und dort Schnee und Eis schmelzen lässt. „Durch welche Prozesse gelingt es der Wärme, die Grenzschicht zu überbrücken und wie schnell geht der Transport nach unten vonstatten? Diese Fragen galt es dringend zu beantworten, weil sowohl regionale als auch globale Klimamodelle die Bedingungen und Prozesse in einer stabilen Grenzschicht bislang nicht abbilden konnten und es deshalb kaum möglich war zu untersuchen, wie sich Veränderungen in der Arktis langfristig auf das Wetter und Klima in den mittleren Breiten auswirken“, erläutert Christof Lüpkes.

Die bisherigen Schwächen globaler Klimamodelle

Die Schwächen der globalen Klimamodelle haben zwei Ursachen. Zum einen reicht ihre räumliche Auflösung bislang nicht aus, um Grenzschicht-Verwirbelungen mit einem Durchmesser von bis wenigen Dezimetern bis Dekametern überhaupt abzubilden. Globale Klimamodelle arbeiten mit Gitternetzen, deren Maschenbreite 50 bis 100 Kilometer beträgt – viel zu groß, um kleinräumige Impuls- und Energieflüsse an der Eisoberfläche abzubilden. Zum anderen wurden Grenzschicht-Prozesse in der Klimamodellierung bislang nur durch sogenannte Näherungsgleichungen beschrieben. „Solche Gleichungen haben keine klare, mathematische Lösung wie zwei plus zwei ist gleich vier. Stattdessen muss der Computer viele Schleifen rechnen, um sich einer Lösung anzunähern – und das für jeden einzelnen Gitterpunkt des Modells. Diese Vorgehensweise kostet viel Rechenkapazität und Zeit und ist dementsprechend teuer“, sagt AWI-Klimamodelliererin Dr. Dörthe Handorf.

POLEX: Zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen

Die AWI-Forschenden setzten sich deshalb vor vier Jahren ein ambitioniertes Ziel: Gemeinsam mit russischen Kollegen wollten sie in einem Kooperationsprojekt (POLEX*) die kleinräumigen Veränderungen in der Arktis besser in den globalen Klimamodellen darstellen. Dazu mussten sie jedoch zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen. Zunächst galt es, das komplexe Gleichungsdickicht zur Darstellung der Grenzschicht-Prozesse auf Basis echter Messdaten zu vereinfachen. Diese Aufgabe übernahmen Christof Lüpkes und der russische Physik-Theoretiker Dr. Vladimir Gryanik.

Im zweiten Schritt mussten sie die vereinfachten Gleichungen in ein regionales sowie in ein globales Klimamodell einbauen und viele Testsimulationen rechnen, um zu überprüfen, ob die Modelle nun in der Lage waren, das arktische Wetter- und Klimageschehen genauer zu simulieren. Diese Arbeit fiel in den Arbeitsbereich von Dörthe Handorf und ihrer Potsdamer AWI-Kollegen Dr. Annette Rinke und Dr. Wolfgang Dorn. Unterstützt wurden sie zudem von einer Masterstudentin und einer Doktorandin. 

Was für Außenstehende wie ein einfacher Zwei-Punkte-Plan klingen mag, entpuppte sich schnell als ungemeiner Kraftakt. Das galt insbesondere für den Versuch, die komplexen Modellgleichungen zur Grenzschicht durch einfache Gleichungen oder Parametrisierungen zu ersetzen. „Parametrisierung heißt in der Klimamodellierung, dass man einen unbekannten Prozess als Funktion eines bekannten Parameters ausdrückt“, erklärt Christof Lüpkes.

Die Schwierigkeit bei Energieflüssen in der atmosphärischen Grenzschicht ist jedoch, dass sie von so vielen verschiedenen Parametern abhängen. „Man muss die Oberflächenrauigkeit und die Windgeschwindigkeit bestimmen. Außerdem braucht man wenigstens noch die Temperatur und ihre Verteilung. Die Gleichung soll am Ende ja alle physikalischen Gesetzmäßigkeiten weitgehend berücksichtigen und für alle denkbaren Kombination von Werten gelten. Das ist wirklich nicht einfach“, sagt der Atmosphärenphysiker. Aufgeben aber galt nicht!

Teamarbeit führt zur zündenden Idee

Stattdessen teilten er und Vladimir Gryanik sich die Arbeit und zogen zur Kontrolle ihrer Gleichungen einen der bekanntesten Arktis-Datensätze heran – die Messungen der „Surface Heat Budget of the Arctic Ocean“-Expedition (SHEBA), welche US-amerikanische Polarforschende im Winter 1997/1998 in der Beaufortsee erhoben hatten.

„Wir haben tatsächlich zahllose Verfahren ausprobiert und uns langsam an die Lösung herangetastet“, erzählt Christof Lüpkes. „Hatte einer von uns beiden eine Gleichungsidee, schrieb er diese auf und schickte sie dem anderen zum Gegenlesen, denn grundsätzlich können wir bei unserer Arbeit erst einmal nicht davon ausgehen, dass idealisierte mathematische Formulierungen die Natur ausreichend genau beschreiben. Formulierungen müssen überprüft und getestet werden.“

War die Gleichung korrigiert, mussten ihre Lösungen durch einen Abgleich mit den SHEBA-Messungen überprüft werden. „Wir benutzen selbst programmierte Rechenprogramme, um die Lösungen zu berechnen und mit den Messungen aus der Arktis abzugleichen – und diese Programme mussten dann auch erst noch geschrieben werden. Vladimir hat sich in diesem Projekt eher auf die Entwicklung der Gleichungen spezialisiert, während ich sie überprüft und optimiert sowie die Programmierarbeit und Rechnungen übernommen habe. Zwischendurch hat jeder die Arbeit des anderen überprüft, um keine Fehler zu übersehen”, sagt Christof Lüpkes. 

Als zündende Idee erwies sich letztendlich die Strategie, einen einfachen Zusammenhang zwischen zwei Stabilitätsparametern in den unteren zehn Metern der Grenzschicht anzunehmen. Einer dieser Parameter ist eine sogenannte Stabilitätslänge: Sie hängt von den Energieflüssen in der oberflächennahen Grenzschicht ab. Im Gegensatz dazu hängt das zweite Stabilitätsmaß, die sogenannte. Richardsonzahl, ab vom Unterschied zwischen der Temperatur an der Erdoberfläche und in zehn Metern Höhe; von der Windgeschwindigkeit in zehn Metern Höhe; vom Feuchteunterschied zwischen Oberfläche und in zehn Metern Höhe sowie von der Höhe selbst.

„Unser Verfahren stellt einen einfachen, funktionellen Zusammenhang zwischen beiden Stabilitätsmaßen her – eine Lösung, an der sich viele Experten lange Zeit die Zähne ausgebissen haben. Neu ist außerdem, dass unsere Parametrisierungen nicht nur für den SHEBA-Datensatz funktionieren, sondern auch für viele andere Messungen. Sie sind für die unteren zehn Meter der Grenzschicht quasi universell einsetzbar, das heißt rund um den Erdball und nicht nur in der Arktis“, freut sich Christof Lüpkes.

Möchte beispielsweise ein Atmosphärenphysiker die unteren zehn Meter der Grenzschicht über der Sahara-Wüste modellieren, müssen dafür keine großen Tabellen mehr aufwendig angepasst werden. „Wir machen das mit einer klitzekleinen Tabelle, denn bei unserem Verfahren hängt am Ende alles von zwei Parametern ab. Alle anderen Parameter ergeben sich von selbst. Das ist der Trick“, so Christof Lüpkes.

Kleiner Etappenerfolg oder doch der große Wurf?

Am AWI Potsdam machten sich derweil Dörthe Handorf, Annette Rinke, Wolfgang Dorn und Masterstudentin Thea Schneider an die Arbeit. Sie bauten die neuen Parametrisierungen zur Oberflächenrauigkeit sowie zu den Wärme- und Impulsflüssen in einer stabilen Grenzschicht in ihr regionales Arktis-Klimamodell ein, welches die Vorgänge vom Polarkreis bis zum Nordpol mit einer Maschenweite von derzeit zehn bis 20 Kilometer auflöst. Anschließend gaben sie dem Modell vor, die atmosphärischen Bedingungen zum Zeitpunkt der SHEBA-Expedition und einer russischen Eisschollen-Driftexpedition in verschiedenen Testläufen zu simulieren. Stimmten Modellergebnisse und echte Messergebnisse jetzt besser überein?

„Wir sehen einen klaren Effekt der neuen Parametrisierungen. Unser regionales Modell kann zum Beispiel den Bodenluftdruck jetzt deutlich realitätsnäher abbilden als früher, was uns einen wichtigen Schritt voranbringt“, sagt Dörthe Handorf. Insgeheim hatte sie gehofft, dass die neuen Parametrisierungen auch bei anderen Messgrößen zu verbesserten Simulationsergebnissen führen würden. Die Klimaabläufe im Modell selbst aber haben das verhindert: „Unser regionales Arktis-Modell stellt den Wärmeaustausch in stabilen Grenzschichten jetzt deutlich realitätsnäher dar, so viel steht fest. Wenn jedoch diese stabilen Bedingungen in der Modellrealität zu selten auftreten, wirken die neuen Parametrisierungen am Ende kaum oder nur in ganz bestimmten Modellbereichen“, erläutert die Wissenschaftlerin.

Ein bisschen Enttäuschung klingt in ihrer Stimme durch. Doch der POLEX-Etappenerfolg und die ersten Simulationen im globalen Klimamodell, die von der Doktorandin Sara Khosravi durchgeführt und analysiert wurden, machen ihr auch Hoffnung. Dörthe Handorf: „Wir sehen erste Anzeichen dafür, dass aufgrund der neuen Parametrisierungen zur Oberflächenrauheit und zu den Grenzschichtprozessen globale Zirkulationsmuster wie blockierende Hochdrucksysteme häufiger in unserer globalen Atmosphären-Simulationen auftreten.“

Sollten weitere Testläufe diese Beobachtung bestätigen, wäre den AWI-Forschenden am Ende doch ein großer Wurf gelungen. Denn blockierende Hochdrucksysteme – so weiß man – werden von den globalen Klimamodellen derzeit noch viel zu selten in der richtigen Häufigkeit dargestellt. Dabei bestimmen diese Zirkulationsmuster, wenn sie auftreten, das Wetter in Mitteleuropa ganz entscheidend. Ein herausragendes Beispiel waren blockierende Hochdruckgebiete, die im April und Mai 2018 vom Nordatlantik bis nach Skandinavien und Osteuropa reichten, Regenwolken den Weg nach Mitteleuropa versperrten und auf diese Weise zu langanhaltender Trockenheit in Nord- und Ostdeutschland und nachfolgend zu hohen Ernteausfällen führten.

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Die Ergebnisse der regionalen Modellierungen im Rahmen des deutsch-russischen Kooperationsprojektes POLEX sind bereits im August 2021 als wissenschaftliche Studie im Fachmagazin Atmospheric Science Letters erschienen. Deren Originaltitel lautet:

Thea Schneider, Christof Lüpkes, Wolfgang Dorn, Dmitry Chechin, Dörthe Handorf, Sara Khosravi, Vladimir M. Gryanik, Irina Makhotina, Annette Rinke (2021). Sensitivity to changes in the surface-layer turbulence parameterization for stable conditions in winter: A case study with a regional climate model over the Arctic. Atmospheric Science Letters, https://doi.org/10.1002/asl.1066

Finanziert wurde das POLEX-Kooperationsprojekt gemeinschaftlich durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, durch die Russischen Wissenschaftsgemeinschaft sowie durch die Helmholtz-Gemeinschaft. Zusätzlich wurden für die Arbeiten Ressourcen des Deutschen Klimarechenzentrums (DKRZ) verwendet, die vom Wissenschaftlichen Lenkungsausschuss (WLA) unter der Projekt-ID 238 bewilligt wurden.

Dr. Christof Lüpkes leitet die Arbeitsgruppe „Polare Meteorologie“ am Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven und ist ausgewiesener Experte für die Beobachtung und Modellierung kleinskaliger Prozesse in der Arktis. Seit Jahrzehnten arbeitet er in verschiedenen Forschungsprojekten daran, die Wärme- und Impulsflüsse in der atmosphärischen Grenzschicht sowie die Rolle der Wolken für atmosphärische Prozesse zu verstehen und in Form einfacher Gleichungen in Klimamodellen darzustellen.

Dr. Dörthe Handorf forscht als Atmosphärenphysikerin und Klimamodelliererin am Alfred-Wegener-Institut in Potsdam. Derzeit liegt ihr Arbeitsschwerpunkt auf dem am AWI entwickelten regionalen Arktis-Klimamodell, welches sie in verschiedenen Projekten nutzt, um herauszufinden, auf welche Weise die Veränderungen in der Arktis das Wetter und Klima in den mittleren Breiten beeinflussen.

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Text: Sina Löschke (schneehohl.net)