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

Kopplung der atmosphärischen Schichten
Das Forschungsgebiet der Wechselwirkung von Troposphäre, Stratosphäre und Mesosphäre
dient einem verbesserten Systemverständnis der Atmosphäre. Es geht darum, die gegenseitige
Abhängigkeit von Troposphäre und mittlerer Atmosphäre zu erkennen. Die Interpretation der
langfristigen Veränderungen der mittleren Atmosphäre erfordert speziell eine bessere Kenntnis
der natürlichen Variabilität der Stratosphäre und Mesosphäre in Abhängigkeit von der Troposphäre.
Diese Arbeiten erfolgen auf der Grundlage von Modellrechnungen und im Vergleich
mit lokalen und globalen Daten. Innerhalb dieses Schwerpunktes werden folgende Themen bearbeitet:
Physik und Dynamik der meridionalen Zirkulation
Durch die mittlere meridionale, vertikale Zirkulation erfolgt eine Wechselwirkung der Höhengebiete
Troposphäre, Stratosphäre und Mesosphäre. Diese Zirkulationszellen bestimmen ganz
wesentlich die Temperatur und die Spurengasverteilungen in den jeweiligen Höhenschichten. Es
werden Untersuchungen durchgeführt, um die mittlere Struktur und Veränderlichkeit dieser globalen
Zirkulationszellen in Abhängigkeit von den Anregungs-, Ausbreitungs- und Brechungseigenschaften
der planetaren Wellen und internen Schwerewellen quantitativ zu verstehen. Grundlage
der Untersuchungen bildet ein bis 100 km Höhe ausgedehntes allgemeines Zirkulationsmodell
(GCM), das die komplexe Wechselwirkung der unterschiedlichen Wellen berücksichtigt. Weiter
wurde ein mechanistisches Zirkulationsmodell (KMCM) bis in das Höhengebiet der unteren
Thermosphäre ausgedehnt, um einzelne Wellenprozesse in ihrer Wirkung auf die atmosphärische
Zirkulation ganz allgemein und auf die Energiebilanz der Mesosphäre im einzelnen zu verstehen.
Eine neue und energetisch konsistente Parametrisierung von ”Turbulenz” und ”Schwerewellen”
wurde erarbeitet und für winterliche Bedingungen in Beziehung zu globalen Analysen und mit
Messungen des IAP diskutiert. Diese prozessorientierten und mechanistischen Zirkulationsexperimente
tragen bei zum Verständnis der Niederfrequenzvariabilität der Zirkulation von der
Troposphäre bis zur Mesosphäre.
Kopplung durch Wellen
Die atmosphärischen Wellen mit sehr unterschiedlichen charakteristischen räumlichen und
zeitlichen Skalen (Rossby-Wellen, Kelvin-Wellen, Gezeiten, interne Schwerewellen) werden in
der unteren Atmosphäre angeregt, breiten sich vertikal aus und dissipieren in unterschiedlichen
Höhengebieten. Die Wellen sind damit ein wesentliches Element im Kopplungsprozess der
Schichten, der besonders aus der Sicht der internen Schwerewellen und der Wechselwirkung mit
den größeren Skalen nur in Ansätzen verstanden ist.
Dieses Thema wird mit Analysen der Beobachtungen, mit konzeptionellen Modellen, mit regionalen
Wettervorhersagemodellen und mit GCMs bearbeitet. So werden charakteristische Wellenparameter
der Gezeiten und Schwerewellen mit den im Schwerpunkt ”Mesosphäre” erläuterten
Lidar-, Radar- und Raketenmessungen bestimmt. Spezielle Experimente mit Radiosonden
werden durchgeführt, um einen Anregungsprozess der Schwerewellen im einzelnen zu verstehen.
Allgemeine Zirkulationsmodelle werden eingesetzt zur Interpretation der Gezeitenmessungen des
IAP und anderer Einrichtungen. Ein lineares Gezeitenmodell wird genutzt, um die Physik der
Anregung und Ausbreitung im Einzelnen zu verstehen. Darüber hinaus wurden theoretische Vorstellungen
zum Brechungsvorgang interner Schwerewellen und zu den in der unteren Mesosphäre
beobachteten planetaren Wellen entwickelt.
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