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

ausbreitenden Wellen über die tageslichtbedingten Messlücken hinweg zu verfolgen. Spektralanalysen
der einzelnen Nächte zeigen, dass dominierende vertikale Wellenlängen bei etwa 12 und
25 km zu finden sind. Darüberhinaus sind an den ersten drei Tagen noch Wellen mit mehr als
30 km Wellenlänge zu beobachten. Am letzten Tag der Messung löst sich das zuvor klare Muster
auf und es sind auch keine dominierenden vertikalen Wellenlängen von mehr als 20 km in der
Analyse zu finden. Kürzerperiodische Schwankungen bestimmen nun das Bild. In der mittleren
Energiedichte der Atmosphäre zwischen 10 und 100 km zeigt sich nach der Zunahme von etwa
120 auf 145 J kg −1 in den ersten vier Nächten fast eine Halbierung auf ca. 80 J kg −1 in der
fünften Nacht. Die zeitlichen Änderungen dieser und anderer Wellencharakteristika ermöglichen
Rückschlüsse auf die Variation der Brechungshöhen und Filtereigenschaften in der Atmosphäre.
Um diese Mechanismen besser zu
verstehen, wird ein neuartiges, statistisches
Schwerewellenmodell herangezogen.
Als Quelle wird von etwa eintausend
einzelnen, sich überlagernden
Schwerewellen ausgegangen. Sie breiten
sich von der Tropopausenregion
in die Mesosphäre und untere Thermosphäre
aus, wobei sie untereinander
und mit der Hintergrundatmosphäre
wechselwirken. Die Wellen haben
zunächst statistisch verteilte Anfangseigenschaften
(Phase, Amplitude,
abs (horiz. Wellenlänge) [km]
Periode [min]
18 km
abs (horiz. Wellenlänge) [km]
Periode [min]
85 km
Abb. 8.3: Zufällig ausgewähltes Spektrum von horizontalen
Wellenlängen und Perioden in 18 km (links), verbleibendes
Spektrum nach Ausbreitung bis in 85 km (rechts).
Ausbreitungsrichtung, vgl. Abb. 8.3). Für jede einzelne Welle als auch für das gesamte Spektrum
wird in jedem Rechenschritt das Amplitudenwachstum und die Phasenlage unter Einbeziehung
von Brechungsbedingungen berechnet. Diejenigen Wellen, die Reflektions- oder kritische Niveaubedingungen
erfüllen, werden aus den Spektren entfernt. Für die Hintergrundfelder von Wind
und Temperatur werden klimatologische Mittel der jeweiligen geographischen Breite eingesetzt.
Die aus den Messdaten ersichtlichen
Temperaturvariationen können
direkt mit den Modellsimulationen
für ein bestimmtes Schwerewellenspektrum
oder eine bestimmte Hintergrundatmosphäre
verglichen werden.
Abbildung 8.4 zeigt als Beispiel
die Temperaturvariation über mehrere
Stunden an einem Ort, wie sie
bei Überlagerung von eintausend Wellen
und gleichzeitiger Drift mit dem
Hintergrundwind entsteht. So ist eine
direkte Vergleichbarkeit mit gemessenen
Lidar-Daten gewährleistet. Die
mit dem Modell berechneten Struktu-
Höhe [km]
Zeit [Stunden]
Abb. 8.4: Modellsimulation der Temperaturvariation von
Schwerewellen für 54 ◦ N (Winterbedingungen).
ren ähneln den beobachteten stark (vgl. Abb. 8.2 und 8.4).
Auf der Basis von Lidarmessungen und Modellergebnissen soll in Zukunft die Anregung der
Schwerewellen, ihre teilweise Filterung in der Stratosphäre und ihre weitere Ausbreitung durch
die Mesosphäre in die untere Thermosphäre eingehender untersucht werden. Mit den Lidarmessungen
können Perioden, vertikale Wellenlängen, Amplituden und potentielle Wellenenergien
ermittelt werden. Die Modellierung ergänzt diese Informationen durch weitere Schwerewelleneigenschaften
und erlaubt es, die Wechselwirkung der Wellen untereinander und mit der Hintergrundatmosphäre
detailliert zu studieren. Außerdem können die modellierten Charakteristika
der Schwerewellen mit den durch die Messung gewonnenen Parametern verglichen werden.
45
20
16
12
8
4
0
-4
-8
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-20
Temperaturabweichung vom Mittel [K]