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

werden im Folgenden mit einer Fallstudie realer Radar- und Lidarmessungen verglichen.
Hierfür werden simultane Horizontalwindmessungen
Radar zonal wind deviation
mit dem MF-Radar in Juliusruh (55 ◦ N, 13 ◦ O) und Temperaturmessungen
mit kombinierten Kalium- und RMR-
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70
Lidarmessungen in Kühlungsborn (54 ◦ N, 12 ◦ O) zur Analyse
mesosphärischer Schwerewellen verwendet. In Abb. 27.4
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Radar meridional wind deviation
sind die Höhen-Zeit-Schnitte der Wind- und Temperaturfluktuationen
vom 11.–13. Oktober 2005 dargestellt. Gezeigt
sind wieder 2 h-Mittelwerte, die um 30 min gescho-
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ben sind mit einer Höhenauflösung von 2 km (Wind) bzw.
Lidar temperature deviation
1 km (Temperatur). Für diese Fallstudie sind ebenfalls Wellenstrukturen
mit steiler werdenden Gradienten mit zunehmender
Höhe zu beobachten, wobei die gemessenen Schwe-
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rewellen etwas schwächer als im Modell ausgeprägt sind.
50
Im Bereich des stärksten Wellenauftretens (92 km Höhe)
leiten sich aus Wavelet-Leistungsdichtespektren dominante
Wellenperioden zwischen 6–11 h für den 12.–13. Oktober
ab. Die Filterung der Zeitreihen in 92 km für diesen Periodenbereich
ergibt die in Abb. 27.5 gezeigten Zeitreihen. In
diesem Fallbeispiel haben die gefilterten Zonal- und Meri-
dionalwindfluktuationen nur eine kleine Phasenverschiebung,
wobei die Zonalkomponente der Meridionalkomponente
hinterherläuft. Die gefilterten Meridionalwind- und
Temperaturfluktuationen sind wie im Modell 180 ◦ gegeneinander
phasenverschoben.
Zur Verifizierung der Polarisationsrelationen zwischen
Wind und Temperatur mit Radar- und Lidarbeobachtungen
wird eine Hodographenanalyse betrachtet, mit welcher
Schwerewellencharakteristiken aus den Windprofilen
abgeleitet werden können. Der Hodograph aus den gefilterten
Zonal- und Meridionalwindfluktuationswerten zwischen
76 – 94 km zu einem festen Zeitpunkt (12. Oktober,
09:30 UT) ist in Abb. 27.6 als gestrichelte Linie gezeigt.
Die angefittete ideale Ellipse unter der theoretischen An-
nahme, dass es sich nur um eine einzelne monochromatische
Welle handelt, ist als durchgezogene Linie dargestellt
und zeigt, dass es sich in diesem Fall um eine Schwerewelle
handelt. Der Drehsinn der Ellipse im Uhrzeigersinn
deutet auf eine nach oben propagierende Welle (auf
der Nordhalbkugel) und die Hauptachse der Ellipse zeigt
die horizontale Ausbreitungsrichtung (hier in West-Ost-
Richtung) an. Aus der Polarisations-, Doppler- und Dispersionsgleichung
können die Wellenzahlen abgeschätzt werden,
aus denen wiederum wie beim Modellfall die Polarisationsrelationen
T ′ /u ′ und T ′ /v ′ berechnet werden. Diese
betragen 0,339 K(m/s) −1 bzw. 0,847 K(m/s) −1 . Werden
die Polarisationsrelationen direkt aus den 12-stündigen
Spitzenamplituden der gefilterten Zeitreihen mit 30-min-
Height (km)110
Height (km)110
Height (km)110
11 Oct 2005 12 Oct 2005 13 Oct 2005
Time (days)
60
40
20
0
-20
-40
-60
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
20
10
0
u’ (m/s)
v’ (m/s)
-10
-20
T' (K)
Abb. 27.4: Höhen-Zeit-Schnitte der
Zonalwind-, Meridionalwind- und Temperaturfluktuationen
aus Radar- und
Lidarmessungen.
Filtered u’ and v’ (m/s) and T’ (K)
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
u'_filtered (m/s)
v'_filtered (m/s)
T'_filtered (K)
11 Oct 05 12 Oct 05 13 Oct 05
Time (days)
Abb. 27.5: Gefilterte Zeitreihen aus
Radar- und Lidarmessungen (u ′ , v ′ , T ′ )
für 6 – 11 h in 92 km Höhe.
v’ (m/s)
20
10
0
12 Oct 2005, 09:30 UT,
76 - 94 km
-10
Real data
Fitted ellipse
First point
-20
-20 -10 0 10 20
u’ (m/s)
Abb. 27.6: Hodographenanalyse für
MF-Radar-Messungen.
Auflösung berechnet, so erhält man für den 12. Oktober, 09:30 UT, T ′ /u ′ = 0,402 K(m/s) −1 bzw.
T ′ /v ′ = 0,503 K(m/s) −1 . Somit kann sowohl in Modell- als auch in Beobachtungsdaten die Gültigkeit
der linearen Theorie nachgewiesen werden, wobei die Abweichungen in den experimentellen
Ergebnissen größer sind.
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