Institutsbericht 2002/2003 - Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik ...

39 Zum Jahresgang der nichtmigrierenden ganztägigen Gezeit
(U. Achatz, N. Grieger, G. Schmitz, B. Wecke)
Die solaren Gezeiten in der Atmosphäre sind Wellen in allen dynamischen Feldern, die sich mit
Perioden von einem Tag (ganztägige Gezeit) oder seinen höheren Harmonischen um den Erdball
bewegen. Sie werden durch den Tagesgang der solaren Erwärmung der unteren Atmosphäre
und die nachfolgende Ausbreitung der damit angetriebenen Strukturen in die höheren Schichten
verursacht. In Bezug zur scheinbaren Bewegung der Sonne werden die Gezeiten in Komponenten
unterteilt. Der Anteil, der sich synchron mit der Sonne bewegt, wird als migrierende Gezeit
bezeichnet. Alle andere fallen unter die Klasse der nichtmigrierenden Gezeiten. Diese können
sowohl stehende Wellen sein, als auch solche mit auf die geographische Länge bezogenen zonalen
Wellenzahlen 1,2 usw., die sich sowohl westwärts als auch ostwärts um die Erde ausbreiten.
Aufgrund der abnehmenden Dichte der Atmosphäre nimmt das Gezeitensignal nach oben zu,
so dass es in der mittleren Atmosphäre einen wesentlichen Anteil der beobachteten Variabilität
darstellt. Wegen ihrer Bedeutung für die Interpretation lokaler Gezeitenmessungen (z.B. Grieger
et al., J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 64, 2002 ) ist die Dynamik der nichtmigrierenden Gezeiten
ein Hauptthema der gegenwärtigen Forschung zur mittleren Atmosphäre.
Eine interessante Frage auf diesem Gebiet ist der Einfluss der quasi-stationären Wellen,
d.h. der z.B. topographisch bedingten, zeitlich nur saisonal veränderlichen längenabhängigen
Strukturen. Die Wechselwirkung zwischen stationären Wellen und Gezeiten wird in vollständiger
Weise in einem allgemeinen Zirkulationsmodell (GCM) reproduziert. Da aber in solchen
nichtlinearen Modellen Ursache und Wirkung nicht eindeutig getrennt werden können, wurde
ein lineares Gezeitenmodell entwickelt, das den gesamten Höhenbereich vom Erdboden bis zur
Thermosphäre beschreibt. Eine wichtige Neuerung gegenüber anderen veröffentlichten Modellen
ist, dass in diesem gleichzeitig der Einfluss der stationären Wellen berücksichtigt werden kann,
was durch die Verwendung geeigneter Lösungstechniken für schwachbesetzte lineare Probleme
in Kombination mit einem zugehörigen adjungierten Modell gelingt. Mithilfe des linearen Modells
wurden Gezeitensimulationen in dem GCM von Volodin und Schmitz (Tellus, 53A, 2001 )
interpretiert (Grieger et al., J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., in Druck, 2004 ). Dazu wurden aus
einem zehnjährigen saisonalen Lauf des GCMs Monatsmittel für Winde und Temperatur, alle
Anteile der Gezeitenheizung, sowie der Gezeiten selbst ermittelt. Für jeden Monat wurde im
linearen Modell das diagnostizierte Monatsmittel des GCMs als Referenzzustand verwendet, das
dann mit der entsprechenden Gezeitenheizung angetrieben wurde, um so die monatsabhängige
lineare Gezeit zu bestimmen. Der Einfluss der stationären Wellen wurde überprüft, indem ihr
Anteil in der Referenzatmosphäre in zwei parallelen Rechnungen entweder berücksichtigt oder
vernachlässigt wurde. Des weiteren wurde der Gezeitenantrieb in seinen migrierenden und nichtmigrierenden
Anteil aufgespalten und jeweils getrennt der Anteil der linearen Gezeit bestimmt,
der in separater Reaktion auf einen dieser Anteile entsteht.
Zur besseren Einordnung unserer Ergebnisse in den Beobachtungsbefund wurde zusätzlich
im besonderen der Jahresgang der nichtmigrierenden ganztägigen Gezeit in Mesopausennähe
untersucht. In allen von uns untersuchten Fällen zeigt sich eine gute Übereinstimmung zwischen
der aus dem GCM diagnostizierten Gezeit und dem mittels der aus dem GCM diagnostizierten
Gezeitenheizung und längenabhängigen Referenzatmosphäre mit dem linearen Modell ermittelten
Ergebnis. Dies gilt sowohl für den migrierenden als auch für den nichtmigrierenden Anteil.
Als Beispiel ist in Bild 39.1 für die Anteile W2 (westwärts laufende Welle 2) und O3 (ostwärts
laufende Welle 3) der Jahresgang der Amplitude der nordwärts gerichteten Windkomponente bei
der Höhe 92, 5 km gezeigt. Die Breitenstruktur der Amplituden zeigt eine Konzentration auf die
Tropen ähnlich der klassischen migrierenden Gezeit, für die polwärts einer kritischen Breite von
±30 ◦ eine vertikale Ausbreitung der Wellen nicht mehr möglich ist. Hinsichtlich des saisonalen
Verhaltens erkennt man die Überlagerung einer Jahres- und einer Halbjahresschwingung, ähnlich
dem bekannteren Verhalten der migrierenden Gezeit.
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