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

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24 Trends mesosphärischer Schwerewellen im Sommer mittlerer
Breiten
(P. Hoffmann, M. Rapp, W. Singer, D. Keuer)
Seit 1990 werden in Juliusruh (54,6 ◦ N, 13,4 ◦ O) kontinuierliche
Messungen im Mesosphärenbereich zur Bestimmung
mittlerer Winde und der daraus abgeleiteten
Wellen genutzt. Die mittlere jahreszeitliche Variation
des Zonalwindes (Abb. 24.1a) ist durch einen typischen
westwärts gerichteten Sommerjet im Höhenbereich
unterhalb von 85 km bestimmt. Im Vergleich dazu sind
die ostwärts gerichteten Winde im Winter und während
der Äquinoktien sehr variabel. Wesentliche beobachtete
Eigenschaften der Mesosphäre, wie z. B. die Umkehr der
Zonalwinde in ca. 85 km Höhe, aber auch die thermische
Struktur der Mesosphäre, lassen sich nicht ohne Berücksichtigung
atmosphärischer Schwerewellen erklären. Ihre
Bestimmung erfolgt aus den Fluktuationen der gemessenen
Winde. Dazu wird hier die Summe der spektralen
Leistungsdichte für definierte Periodenbereiche nach
vorherigem Abzug der mittleren Grundwinde und Gezeitenwellen
genutzt. In Abb. 24.1b ist der mittlere Jahresgang
von Schwerewellen mit Perioden zwischen 3 und
6 Stunden, abgeleitet aus den Windmessungen seit 1990,
dargestellt. Der mittlere saisonale Verlauf ist durch eine
halbjährliche Variation mit Minima zu den Äquinoktien
und Maxima in den Wintermonaten bestimmt. Im Sommer
wird ein sekundäres Maximum im Höhenbereich von
80 bis 90 km beobachtet. Die in der Mesosphäre beobachtete
Schwerewellenaktivität ist von ihren Quellen in der
Tropo- und Stratosphäre (z. B. Orographie, Konvektion,
Starkwindgebiete) abhängig, enthält aber auch Informationen
zu den durch den Hintergrundwind bestimmten
vertikalen Ausbreitungsbedingungen.
a)
altitude (km)
b)
altitude (km)
c)
altitude (km)
90
80
70
90
85
80
75
85
80
75
70
mean zonal wind 1990 - 2011 (m/s) - Juliusruh
J
J
20
0
-20
F M A M J J A O N D
month
mean kinetic energy
F
0
0.2
F
M
M J J
month
-20
0
0
20
(m/s)**2 - Juliusruh
regression coefficient (m/s/year)
-0.2
M
-0.4
0
M J J
month
0.4
-0.6
-0.4
-0.2
0.2
0
0.4
0.2
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
100
90
80
70
60
50
40
30
20
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
Abb. 24.1: a) Mittlerer Jahresgang des
Zonalwindes aus MF-Radar-Beobachtungen
in Juliusruh; b) Mittlerer Jahresgang
der Schwerewellenaktivität; c) Höhen-Zeit-
Schnitt des Trends der Zonalwinde in
Juliusruh von 1990 – 2011.
Die nun seit mehr als 22 Jahren vorliegenden Ergebnisse gestatten ferner eine Untersuchung
der langfristigen Veränderungen der Winde und Wellen. Da aber bisher kaum Erkenntnisse über
Trends in der Schwerewellenaktivität vorliegen, soll hier untersucht werden, inwieweit vorhandene
Trends in den mittleren Winden für langfristige Veränderungen der Schwerewellen verantwortlich
sind. Hierzu wurden zunächst monatliche Trends der Winde bestimmt und in Abb. 24.1c als Jahresgang
der Regressionskoeffizienten der Zonalwinde in Abhängigkeit von Monat und Höhe gezeigt.
In den Sommermonaten sind die abgeleiteten Trends signifikant und unterhalb ca. 83 km negativ
(d. h. Zunahme des Ostwindes), darüber positiv. In den Wintermonaten sind die Trends positiv,
aber nicht signifikant. Ein Grund dafür besteht in der erhöhten Variabilität planetarer Wellen,
die häufig zu den im Kap. 26 beschriebenen stratosphärischen Erwärmungen führen. Die stärksten
Trends im Zonalwind treten im Sommer unterhalb von 75 km auf. Das ist auch in der Darstellung
der Jahr-zu-Jahr-Variationen der Abweichungen der Zonalwinde vom langjährigen Mittel für den
Monat Juli ersichtlich (Abb. 24.2). Die abgeleiteten Trends sind mit Korrelationskoeffizienten zwischen
0,58 und 0,74 statistisch signifikant (> 95%), außer für die Höhe von 80 km, in der größere
Variationen im Vergleich zu anderen Höhen beobachtet werden. Im Juli wird in mittleren Breiten
ein Maximum des Ostwindes in ca. 74 – 75 km in der relativ stabilen Sommerzirkulation beobachtet.
Wir betrachten diesen Jet als Maß für die Änderung des Windfeldes von der Stratosphäre bis
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