dc.contributor.author
Dolaptchiev, Stamen Iankov
dc.date.accessioned
2018-06-07T19:51:12Z
dc.date.available
2008-12-19T13:24:44.747Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/6481
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-10680
dc.description.abstract
Observations indicate the existence of a large number of low-frequency
(periods longer than 10 days) atmospheric regimes with planetary spatial
scales (of the order of the earth's radius, ca. 6300 km) that have an
important influence on the variability of the atmosphere. Further studies show
that the interactions between such planetary scale flows and the synoptic
eddies (characteristic length and time scales : 1000 km and 2-6 days) play a
crucial role for the atmospheric dynamics. In this theses we derive reduced
model equations for three planetary regimes by applying a multiple scales
asymptotic method. This method allows us to take into account in a systematic
way the interactions with the synoptic scales. The numerical experiments with
a primitive equations model showed that two of the asymptotic regimes
reproduce basic properties of the planetary scale dynamics. The Planetary
Regime (PR) is characterized by isotropic planetary horizontal scales and by a
corresponding advective time scale of about one week. The variations of the
background potential temperature in this regime are comparable in magnitude
with those adopted in the classical quasi-geostrophic (QG) theory, larger
variations are assumed in the Planetary Regime with Background Flow (PRBF). In
the PR we obtain as leading order model the planetary geostrophic equations
(PGEs). We derive in a systematic way from the asymptotic analysis a closure
for the PGEs in the form of an evolution equation for the vertically averaged
(barotropic) component of the pressure. Relative to the prognostic closures
adopted in existing reduced-complexity planetary models, this new dynamical
closure may provide for a more realistic large scale and long term variability
in future implementations. Using a two scale asymptotic ansatz, we extended
the region of validity of the PR to the synoptic spatial and temporal scales.
We derive modified QG equations for the dynamics on the synoptic scale as well
as terms describing new interactions between the synoptic and planetary
scales. In the Anisotropic Planetary Regime (APR) we investigate motions with
planetary modulation in zonal direction but with a meridional extent confined
to the synoptic scale, the same assumption for the background temperature as
in the PR is made. As leading order model we obtain the QG model, describing
the synoptic evolution of the leading order synoptic potential vorticity (PV).
The second order asymptotic model describes a coupling between the planetary
evolution of this leading order synoptic PV, the synoptic evolution of the
planetary scale vorticity field and the synoptic dynamics of higher order PV
corrections. By applying a primitive equations model, we studied the balances
in the vorticity transport on the planetary and synoptic scale. The numerical
experiments showed that only the PR and the APR are relevant for the earth's
atmosphere. These two models helped us to understand different aspects of the
dynamics on the planetary scale and they can be further employed for the
construction of intermediate complexity models for long term climate
simulations.
de
dc.description.abstract
Beobachtungen decken eine Anzahl von niederfrequenten (Perioden länger als 10
Tage) atmosphärischen Regimen mit planetaren Längenskalen (von der
Größenordnung des Erdradius, ca. 6300 km) auf, die einen beträchtlichen
Beitrag zur Variabilität der Atmosphäre leisten. Weitere Studien deuten darauf
hin, dass die Wechselwirkungen zwischen diesen planetaren Bewegungen und den
synoptischen Wellen (charakteristische Längen- und Zeitskala: 1000 km und 2-6
Tage) eine entscheidende Rolle für die Atmosphärendynamik spielen. In dieser
Arbeit haben wir mit Hilfe einer asymptotischen Mehrskalen Methode reduzierte
Modellgleichungen für drei planetare Regime hergeleitet und dabei systematisch
die Wechselwirkungen mit den synoptischen Skalen berücksichtigt. Die
numerischen Simulationen mit einem Modell basierend auf den primitiven
Gleichungen haben gezeigt, dass zwei der asymptotischen Regime wesentliche
Eigenschaften der planetaren Dynamik wiedergeben. Das Planetare Regime (PR)
beschreibt atmosphärische Strömungen mit isotropen planetaren horizontalen
Skalen und eine Advektionszeitskala von etwa einer Woche. Die Größenordnung
der Variationen der Hintergrundtemperatur in diesem Regime stimmt mit der in
der klassischen quasi-geostrophischen (QG) Theorie überein, stärkere
Variationen werden dagegen im Planetaren Regime mit einer Hintergrundströmung
(PRBF) angenommen. Im PR bekommen wir in führender Ordnung die planetar-
geostrophischen Gleichungen. Wir leiten aus der asymptotischen Analyse eine
zusätzliche Evolutionsgleichung für die vertikal gemittelte (barotrope)
Komponente des Druckes her, die die Gleichungen schliesst. Diese neue
dynamische Schließung eröffnet die Möglichkeit für eine realistischere
Wiedergabe der großräumigen and langzeitigen Atmosphärenvariabilität in
reduzierten planetaren Modellen, wo gegenwärtig diagnostische Schließungen
implementiert sind. Mittels eines Zweiskalen Ansatzes wird systematisch das PR
auf die synoptischen Raum- und Zeitskalen erweitert, wir erhalten modifizierte
QG Gleichungen für die Dynamik auf der synoptischen Skala sowie Terme, die
neue Wechselwirkungen zwischen der synoptischen und planetaren Skala
beschreiben. Im Anisotropen Planetaren Regime (APR) untersuchen wir Strömungen
mit planetaren Skalen in zonaler Richtung aber mit synoptischen meridionalen
Variationen, wobei die gleiche Annahme für die Hintergrundtemperatur wie im PR
gemacht wird. In führender Ordnung bekommen wir die QG Theorie, die die
synoptische Evolution der führenden synoptischen potentiellen Vorticity (PV)
angibt. Das asymptotische Modell zweiter Ordnung stellt eine Kopplung zwischen
der planetaren Dynamik dieser führenden synoptischen PV, der synoptischen
Evolution der relativen Vorticity der planetaren Skala und der synoptischen
Dynamik von PV Korrekturen höherer Ordnung. Mit Hilfe eines Modells, das die
primitiven Gleichungen löst, haben wir die Gleichgewichte im Vorticity
Transport auf der planetaren und synoptischen Skala studiert. Die numerischen
Experimente zeigten, dass nur das PR und das APR für die Erdatmosphäre
relevant sind. Diese zwei Modelle halfen uns beim Verständnis von
unterschiedlichen Aspekten der Dynamik auf der planetaren Skala. Weiterhin
können sie in der Konstruktion von Atmosphärenmodellen mittlerer Komplexität
für Langzeit-Klimasimulationen eingesetzt werden.
en
dc.format.extent
II, 112 S.
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
multiple scales asymptotic models
dc.subject
reduced atmospheric models
dc.subject
planetary geostrophic equations
dc.subject
planetary-synoptic interactions
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik
dc.title
Asymptotic models for planetary scale atmospheric motions
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Rupert Klein
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Ulrich Achatz
dc.date.accepted
2008-12-04
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000006916-4
dc.title.translated
Asymptotische Modelle für atmosphärische Bewegungen auf der planetaren Skala
en
refubium.affiliation
Mathematik und Informatik
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000006916
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000004897
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access