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

9 Lidarmessungen der Temperaturgezeiten über Kühlungsborn
(M. Kopp, M. Gerding, J. Höffner, F.-J. Lübken)
Gezeiten in der Atmosphäre sind global auftretende Wellenstrukturen mit ganztägigen, halbtägigen
oder auch kürzeren Perioden. Sie werden u. a. durch eine periodische Absorption solarer Strahlung
angeregt. Neben anderen Wellen, wie Schwerewellen, sind sie für den Transport von Energie und
Impuls aus der Tropo- und Stratosphäre in die Meso- und Thermosphäre verantwortlich. Damit
sind sie bedeutend für das Verständnis der Dynamik der mittleren Atmosphäre insgesamt. Seit
einigen Jahren ist die Analyse von Gezeitenkomponenten aus Radar-Windmessungen oder auch
aus Temperatur- und Windmessungen von Satelliten etabliert. Es gibt derzeit weltweit nur sehr
wenige quasi-kontinuierliche, tageslichtunabhängige Lidar-Temperaturmessungen, die wesentliche
Teile der mittleren Atmosphäre umfassen. Jedoch bis vor kurzem keine in mittleren Breiten.
In Kühlungsborn werden seit Sommer 2010 zum ersten Mal Temperaturmessungen mit einem
neuen RMR-Lidar unabhängig von der Tageszeit durchgeführt. Das tageslichtfähige RMR-Lidar
wurde zusätzlich zu dem bereits existierenden, ausschließlich bei Dunkelheit messenden, RMR-
Lidar in Betrieb genommen. Am Tag werden aus RMR-Messungen Temperaturen bis in 75 km
Höhe und in der Nacht bis 90 km berechnet. Durch die Kombination mit einem Kaliumresonanzlidar
werden zusätzlich Temperaturen zwischen 80 und 105 km bestimmt. Messungen rund um die Uhr
ermöglichen die Analyse von Wellenkomponenten ohne tageslichtbedingte Messlücken.
In Abb. 9.1 wird eine mehrtägige
Messung (vom 29. September bis
3. Oktober 2011) in einem Höhenbereich
von 43 bis 105 km gezeigt. Unterhalb
von ca. 80 km werden Temperaturen
vom RMR-Tagsystem und oberhalb
von 80 km vom K-Lidar verwendet.
Dargestellt sind Temperaturabweichungen
vom Tagesmittel, um vorhandene
Wellenstrukturen besser zu verdeutlichen.
In den ersten drei Tagen
sind deutliche Wellensignaturen mit
abwärts gerichteter Phasenausbreitung
über den kompletten Höhenbereich zu
sehen. Am letzten Tag sind die Wellenstrukturen
weniger klar. Die grau hinterlegten
Bereiche markieren die Messzeit,
die mit dem bisher vorhandenen
Nachtsystem und damit ohne Tageslichtfähigkeit
möglich ist. Offensichtlich
kann nur durch Messungen bei Tag und
Nacht eine vollständige Interpretation des Wellenspektrums erfolgen.
Abb. 9.1: Temperaturabweichungen vom Tagesmittel aus
durchgehenden RMR- und K-Lidarmessungen (29. September
bis 3. Oktober 2011). Die Lücken um 12 LT sind auswertebedingt.
Grau hinterlegte Bereiche markieren die Messzeit
des vorhandenen Nachtsystems. Bei den Temperaturberechnungen
wurde ein maximaler Fehler von 10 K zugelassen.
Die Analyse von Gezeitenstrukturen wird im Allgemeinen im Höhenbereich von 43 bis 95 km
durchgeführt, abgesehen von einer Lücke um 80 km, wo das Signal-zu-Rauschverhältnis zu schlecht
ist. Oberhalb von 80 km, und damit aus K-Lidar-Temperaturen, werden Gezeitenstrukturen aufgrund
der Tageslichtfähigkeit dieses Lidars bereits seit einigen Jahren analysiert. Typischerweise
werden circa 100 Messstunden für eine Analyse benötigt, um Wellen mit Perioden ähnlich den
Gezeiten sicher von diesen zu trennen. Wetterbedingt eignen sich z. B. im Oktober 2011 insgesamt
137 Messstunden (d. h. sieben Messungen, die länger als sechs Stunden sind) für eine Analyse.
Für die Gezeitenanalyse werden diese sieben mehrstündigen Messungen überlagert und zunächst
saisonale Variationen durch den Abzug eines mittleren Temperaturjahresgangs eliminiert.
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