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Sebastian Borchert

• Ein Finite-Volumen-Modell des differentiell geheizten rotierenden Annulus wird verwendet, um die spontane Schwerewellenabstrahlung durch die großskalige, von baroklinen Wellen beherrschte Strömung zu untersuchen. Bei diesem Vorgang bilden barokline Wellen und der durch sie abgelenkte und verzerrte Strahlstrom, die sich näherungsweise im hydrostatischen und geostrophischen Gleichgewicht befinden, durch ihre Dynamik Ungleichgewichte aus, die sich als Schwerewellen ausbreiten. Neben der Anregung von Schwerewellen durch Prozesse wie Gebirgsüberströmung, Konvektion und Frontogenese, bildet dieser Vorgang vermutlich eine weitere wichtige Quelle von Schwerewellen in der Atmosphäre. Anders als für orographisch und konvektiv angeregte Schwerewellen gibt es für die spontane Schwerewellenabstrahlung bislang keine befriedigende Parametrisierung in Wettervorhersage- und Klimamodellen, die diesen Prozess nicht auflösen können. Die Durchführung von Messungen zur spontanen Schwerewellenabstrahlung in der Atmosphäre ist üblicherweise sehr aufwendig, sodass die Untersuchung dieses Vorganges in einem wiederholbaren und steuerbaren Laborexperiment reizvoll erscheint. Ob dafür möglicherweise das Experiment des differentiell geheizten rotierenden Annulus infrage kommt, untersuchen wir mit einem eigens dafür entwickelten numerischen Modell, dessen Tauglichkeit wir zunächst im Rahmen einer Validierung durch den Vergleich mit Labormessungen überprüfen. Damit die Ergebnisse zur Schwerewellendynamik im Annulus auf die Atmosphäre übertragbar sind, verwenden wir eine neue, atmosphärenähnliche Annuluskonfiguration. Im Gegensatz zu den klassischen Annuluskonfigurationen ist in der neuen Konfiguration die Brunt-Väisälä-Frequenz größer als der Coriolis-Parameter, sodass die Schwerewellen ein ähnliches Ausbreitungsverhalten zeigen sollten wie in der Atmosphäre. Deutliche Hinweise auf eine Schwerewellenaktivität in der atmosphärenähnlichen Konfiguration geben die horizontale Geschwindigkeitsdivergenz und eine Normalmodenzerlegung der kleinräumigen Strukturen der simulierten Strömung. Um der Herkunft der beobachteten Schwerewellen auf den Grund zu gehen, zerlegen wir die Strömung in den schwerewellenfreien quasigeostrophischen Anteil und den schwerewellenenthaltenden ageostrophischen Anteil. Bereiche innerhalb der baroklinen Welle, in denen ein erhöhter spontaner Antrieb des ageostrophischen Anteils durch die quasigeostrophische Strömung beobachtet wird, fallen mit Bereichen erhöhter Schwerewellenaktivität zusammen. Dies deutet darauf hin, dass die spontane Schwerewellenabstrahlung auch im Annulus zum Schwerewellenfeld beiträgt, sodass dieses Experiment als Labormodell dieser Schwerewellenquelle für deren weitere Erforschung geeignet erscheint.