The role of convective available potential energy for tropical cyclone intensification
Final Report Abstract
Die Entstehungsdynamik von tropischen Wirbelstürmen ist noch nicht ausreichend verstanden. Es liegen Theorien vor, die entweder die Existenz von konvektiv verfügbarer potentieller Energie (CAPE) voraussetzen (z.B. die CISK-Theorie) oder für unnötig erachten (die WISHE-Theorie). Das Forschungsprojekt widmet sich der Frage, welche Möglichkeit zutrifft. Für diesen Zweck wurde eine Hierarchie von drei Modellen verschiedener Komplexität eingesetzt. Ein Box-Modell, das die tropische Zyklone in die drei Bereiche Auge, Augenwall und Außenbereich einteilt, bildet das einfachste Modell. Es zeigte sich, dass bei Abbau von CAPE durch schnellen konvektiven Austausch, wie es in der WISHE-Theorie angenommen ist, keine bedeutsame Intensivierung erfolgt. Dieses Resultat kann durch die Dominanz der reibungsinduzierten Sekundärzirkulation erklärt werden, wodurch Luft mit niedriger äquivalentpotentieller Temperatur in den Augenwall eingemischt wird und die Zyklone folglich eine Abschwächung erfährt. In weiteren Experimenten zeigte sich, dass die Intensivierungsrate mit zunehmender anfänglicher CAPE zunimmt. Das Dreischichtenmodell von Ooyama wurde als Modell mittlerer Komplexität für die Untersuchungen genutzt. Die Ergebnisse mit diesem Modell stimmen qualitativ mit denen des einfachen Box-Modells überein. Zudem konnten aber Radialprofile der CAPE ermittelt werden, die belegen, dass CAPE in der Intensivierungsphase in radialer Richtung ansteigt. Dabei nimmt die Intensivierungsrate in den Experimenten mit größer werdendem CAPE-Gradienten zu. Das nichthydrostatische Wolkenmodell CM1 repräsentiert das realitätsnächste Modell in der Hierarchie. In der simulierten dreidimensionalen Strömung organisiert sich ein Ring mit positiver CAPE, der den anwachsenden Wirbelkern umgibt. Auch hier ließ sich ein Zusammenhang zwischen der Intensivierungsrate und dem radialen CAPE-Gradienten feststellen. Die Experimente mit den drei Modellen zeigen klar, dass die Annahme einer verschwindenden CAPE während der Intensivierung nicht haltbar ist. Stattdessen besitzt die reibungsinduzierte Sekundärzirkulation eine wichtige Funktion. Sie transportiert Luft aus der Umgebung zu dem sich entwickelnden Augenwall, wo die Luft zum Aufsteigen gezwungen wird. Auf dem Weg dort hin nimmt die Feuchte aufgrund von Verdunstungsflüssen von der Wasseroberfläche zu, was die Erzeugung von CAPE nach sich zieht. Neben der reibungsinduzierten Konvektion im Augenwall, kann sich auch natürliche Konvektion bilden, die CAPE abbaut und den Intensivierungsprozess hemmt. Mittels einer einfachen Skalenanalyse konnte bereits festgestellt werden, dass die reibungsinduzierte Sekundärzirkulation gegenüber den unter dem Augenwall auftretenden Verdunstungsflüssen von der Wasseroberfläche dominieren. Hierdurch wurde ersichtlich, dass die Annahme verschwindender CAPE ungeeignet ist, da in diesem Fall nicht ausreichend Energie dem Augenwall zugeführt werden kann. Die Ergebnisse dieses Projektes liefern einen Beitrag zur gegenwärtigen Debatte, ob die WISHE-Theorie geeignet ist, den Intensivierungsprozess richtig zu beschrieben.
Publications
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2016: The impact of gradient wind imbalance on tropical cyclone intensification within Ooyama’s three-layer model. J. Atmos. Sci.
Frisius, T., and Lee, M.
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On the role of convective available potential energy (CAPE) for tropical cyclone intensification. Tellus, Volume 70, 2018 - Issue 1
Lee, M., and Frisius, T.
