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

21 MAARSY: Einblick in die horizontalen Eigenschaften des
mesosphärischen Windfeldes
(G. Stober, R. Latteck, M. Rapp, W. Singer, M. Zecha)
Während der letzten beiden Jahre wurde MAARSY sukzessive fertiggestellt und ist seit Sommer
2011 mit seiner vollen Leistungsstärke einsatzbereit. Nachdem bereits im Sommer 2010 erste Versuche
mit umfangreichen systematischen Scanexperimenten mit bis zu 97 Strahlrichtungen erprobt
wurden, konnte im Sommer 2011 über einen Zeitraum von ca. 3 Wochen eine noch umfangreichere
Kampagne durchgeführt werden.
Diese Experimente waren gut geeignet, um komplexere Analysemethoden zur Bestimmung
des horizontalen und vertikalen Windfeldes anzuwenden. Bereits im Sommer 2010 wurde mit den
Arbeiten für ein Softwaremodul zur Bestimmung des horizontal aufgelösten Windes mit Hilfe eines
“Velocity Azimuth Displays” (VAD) begonnen. Der Vorteil dieser neuen Analysemethode liegt in
der Möglichkeit, weitere dynamische Parameter
der Atmosphäre zu bestimmen, die mit herkömmlichen
Methoden nicht messbar sind. Diese zusätzlichen
Parameter führen zu einer besseren Beschreibung
der kinematischen Eigenschaften des
horizontalen Windfeldes. So liefert eine VAD-
Auswertung zusätzlich zum mittleren Wind noch
Informationen über die horizontale Divergenz gemischt
mit der vertikalen Geschwindigkeit sowie
die Streckungs- und Scherungsdeformation im erfassten
Messbereich. Das grundlegende Prinzip einer
VAD-Analyse besteht in der Messung der radialen
Windgeschwindigkeit für mehrere unterschiedliche
Azimutwinkel bei festem Zenitwinkel.
In Abb. 21.1 ist schematisch dargestellt wie
sich ein horizontal divergentes Windfeld von einem
nicht divergenten Windfeld unterscheidet. Die rote
Linie markiert dabei die theoretisch messbare
radiale Windgeschwindigkeit eines störungsfreien
Windfeldes für einen beliebigen Azimutwinkel. Die
schwarze Linie symbolisiert die theoretisch beobachtbare
radiale Geschwindigkeit unter der Annahme
eines horizontal divergenten Windfeldes.
Abb. 21.1: oben links: Schematische Darstellung
eines horizontal divergenten Windfeldes; oben
rechts: Vergleich der radialen Windgeschwindigkeiten
eines ungestörten (rot) und eines horizontal
divergenten (schwarz) Windfeldes für beliebige
Azimutwinkel; unten: Gemessene radiale Winde
(blaue Dreiecke) und gefitteter radialer Wind
(schwarze Linie).
Die Verschiebung zwischen der schwarzen und roten Linie resultiert zum einen aus der horizontalen
Divergenz, kann jedoch auch einen Beitrag aus dem vertikalen Wind beinhalten. Diese Mehrdeutigkeit
lässt sich auflösen, indem mehrere VAD-Experimente zu einem “Extended Velocity Azimuth
Display” (EVAD) kombiniert werden. Die Streckungs- und Scherungsdeformation ist ebenfalls in
Abb. 21.1 (unteres Bild) zu erkennen. Diese Störungen des Windfeldes führen zu Abweichungen
von einer idealen Sinusschwingung (rote Linie). Die schwarze Linie resultiert aus einer Anpassung
der Modellfunktion an die gemessenen radialen Geschwindigkeiten (blaue Dreiecke) mit Hilfe der
Methode der kleinsten Quadrate.
In Abb. 21.2 sind die einzelnen Strahlpositionen der verschiedenen VAD-Scans für einen jeweils
festen Schwenkwinkel auf eine Landkarte von Nordnorwegen projiziert. Die Position und die Größe
der roten Kreise markieren den Durchmesser eines 3,6 ◦ schmalen Radarstrahls in einer Höhe
von 84 km. Die Experimentsequenz bestand aus 4 verschiedenen Einzelexperimenten. Jedes Experiment
beinhaltet 25 unterschiedliche Strahlrichtungen, die mit Ausnahme des vertikalen und
5 ◦ -Schwenkwinkels eine Auswertung mit der VAD-Analyse zulassen.
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