Institutsbericht 2010/2011 - Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik ...

im Berichtszeitraum zum ersten Mal ganztägige Temperaturmessungen möglich wurden. Durch
Ergänzung des hochaufgelösten KMCM mit thermischer Gezeitenanregung wird die nichtlineare
Wechselwirkung von Gezeiten und Schwerewellen beschrieben. Dabei zeigt sich, dass die großen
Gezeitenamplituden im polaren Sommer einen wesentlichen Einfluss auf die Impulsdeposition durch
Schwerewellenbrechen und somit indirekt auf die residuelle Zirkulation ausüben.
Die dynamische Kopplung von unterer und mittlerer Atmosphäre hängt auf der saisonalen
und längerfristigen Zeitskala vor allem von den planetaren Rossby-Wellen ab. Die Struktur der
stationären Rossby-Wellen sowie ihre Abhängigkeit vom solaren Zyklus wird auf Basis des Klima-
Chemiemodells HAMMONIA in Kombination mit Satellitendaten und Reanalysen untersucht. Die
durch planetare Rossby-Wellen ausgelöste interhemisphärische Kopplung sowie die genaue Analyse
von winterlichen stratosphärischen Erwärmungen und der sommerlichen intrahemisphärischen
Kopplung sind ebenfalls wichtige Forschungsthemen am IAP. Für weitere Untersuchungen dieser
Prozesse wurde eine neue Parametrisierung orographischer Schwerewellen erarbeitet.
Turbulenz spielt für unser Verständnis der gesamten Atmosphäre eine entscheidende Rolle. Sie
ist eng mit dem Brechen von Wellen und der Deposition von Wellenimpuls verknüpft, liefert direkte
Beiträge zur großskaligen Wärmebilanz und mischt Spurenstoffe. Am IAP werden die Morphologie
sowie die räumliche und zeitliche Verteilung von Schwerewellen und Turbulenz in der MLT anhand
von Raketen-, Radar- und Lidarmessungen sowie anhand von KMCM-Rechnungen untersucht.
Mit Hinblick auf die Makroturbulenz in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre konnte
das Skalenverhalten geschichteter Turbulenz für das mesoskalige −5/3-Gesetz erstmals in einem
globalen Modell nachgewiesen werden. In diesem Zusammenhang wurde ebenfalls die Rolle von
Wasserdampf für die Schwerewellenabstrahlung aus baroklinen Wellen mit Hilfe des WRF-Modells
abgeschätzt. Darüber hinaus wurde die Smagorinsky-Horizontaldiffusion im KMCM neu formuliert,
so dass neben den Erhaltungssätzen auch die Skaleninvarianz im mesoskaligen Trägheitsbereich
sichergestellt ist. Das neue Schema erlaubt insbesondere die Simulation des −5/3-Gesetzes in der
oberen Troposphäre ohne Zuhilfenahme einer künstlichen Hyperdiffusion.
Für den Höhenbereich der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre wurden außerdem
neue Sensoren für hochaufgelöste Wind- und Temperaturmessungen auf Ballons entwickelt und
mehrfach eingesetzt. Mit diesen Sensoren wurde zum ersten Mal überhaupt das turbulente Spektrum
der Fluktuationen bis zum so genannten „viskosen Unterbereich“ der Turbulenz vermessen
und somit die zuverlässige Ableitung turbulenter Parameter ermöglicht. Ziel der aktuellen Arbeiten
ist es, die Messtechnik weiter zu optimieren, um möglichst einen operationellen Betrieb mit
regelmäßigen Flügen auf Wetterballons zu ermöglichen.
Spurengasverteilungen – Dynamische und chemische Komponente
Spurengase koppeln die unterschiedlichen Höhenschichten sowohl über den Strahlungstransport
als auch über chemische Reaktionen. Die Spurengasverteilungen werden wesentlich durch
die residuelle Zirkulation bestimmt. Diese Zirkulation wird letztlich durch das Brechen der Wellen
hervorgerufen und reicht in der Stratosphäre von den Tropen bis in hohe winterliche Breiten
und in der oberen Mesosphäre vom Sommerpol bis zum Winterpol. Oberhalb der Mesopause
kehrt sich die residuelle Zirkulation um. Turbulenz spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle für
die Umverteilung von Spurenstoffen. Im Rahmen von ILWAO wurde – in Analogie zu dem aus
der Ozeanographie bekannten vertikalen Mischen von Salz und Sauerstoff durch interne Wellen –
das entsprechende vertikale Mischen durch Schwerewellen in der MLT aufgezeigt. Dazu wurde das
Chemie-Transportmodell MECTM mit den hochaufgelösten dynamischen Feldern des KMCM bei
unterschiedlicher spektraler Filterung angetrieben. Das Mischen durch Schwerewellen wird bislang
in Klima-Chemiemodellen ignoriert, hat jedoch weitreichende Konsequenzen für unser Verständnis
der Photochemie der Mesosphäre. Dies betrifft z. B. den Transport von Methan, Wasserdampf
und Eisteilchen oder den für die Photochemie wichtigen Eintrag von atomarem Sauerstoff aus der
Thermosphäre in die Mesosphäre sowie das Vertikalprofil der Kohlendioxidkonzentration. Einige
Spurengase, insbesondere Wasserdampf, spielen bei der Interpretation von NLC und PMSE eine
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