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

14 Lidar-Messungen von Temperaturen und Schwerewellen über
ALOMAR
(S. Loßow, A. Schöch, G. Baumgarten, G. Birkeli, G. von Cossart, J. Fiedler, U. von Zahn)
Die Ableitung von Temperaturprofilen
aus den gemessenen Profilen der relative
Dichte und deren Analyse ist
eines der wissenschaftlichen Hauptziele
des ALOMAR RMR-Lidars. Insgesamt
wurden in den beiden zurückliegenden
Jahren rund 2100 Stunden
Temperaturdaten mit beiden Systemen
des ALOMAR RMR-Lidars
aufgenommen. Abbildung 14.1 gibt
als Beispiel die Temperaturentwicklung
für Januar und Anfang Februar
2003 über ALOMAR und über
der Esrange (Nordschweden, 67,9 ◦ N,
21,1 ◦ O) wieder. Diese Daten wurden
im Rahmen eines gemeinsamen Pro-
Abb. 14.1: Zeitreihe der Nachtmittel-Temperaturen über
ALOMAR und der Esrange im Winter 2003.
jekts des ALOMAR RMR-Lidars und des Esrange UBonn Lidars aufgenommen und umfassen
den Höhenbereich zwischen 30 km und 75 km bzw. 65 km. Anfang Januar lässt sich im
Höhenbereich um 45 km ein ausgeprägter Temperaturanstieg erkennen. Solche so genannten
Stratosphären-Erwärmungen treten regelmäßig im Winter auf und werden durch Veränderungen
in der großräumigen Zirkulation der Atmosphäre hervorgerufen. Durch die veränderte Temperaturstruktur
werden auch andere Phänomene der polaren Winteratmosphäre beeinflusst, wie
zum Beispiel polare Stratosphärenwolken und der damit verbundene katalytische Ozonabbau
(Ozonloch).
Die Temperaturstruktur der mittleren Atmosphäre wird maßgeblich durch Wellen bestimmt.
Besonders wichtig sind dabei die so genannten Schwerewellen, die in der Troposphäre und unteren
Stratosphäre durch verschiedene Prozesse angeregt werden und sich dann vertikal und horizontal
in der Atmosphäre ausbreiten. Dabei sorgen sie für einen Transport und eine Umverteilung von
Energie und Impuls und haben so einen großen Einfluss auf die Zirkulation der Atmosphäre.
Anhand der mit Hilfe der Lidar-Messungen gewonnenen Temperaturdaten können solche Wellen
beobachtet und untersucht werden.
Die Untersuchung der Schwerewellen über dem ALOMAR-Observatorium hat in den letzten
zwei Jahren einen großen Stellenwert eingenommen und wurde in Einzelstudien oder kampagnenweise
(z.B. Messkampagne Sommer 2002) realisiert. Der Anteil der Schwerewellen an einem
beobachteten Temperaturprofil lässt sich separieren, indem die Differenz zum Hintergrund-
Temperaturprofil gebildet wird. Aus den so gewonnenen Temperaturabweichungen lassen sich
direkt oder aus ihrem zeitlichen Verlauf verschiedene Schwerewellen-Parameter bestimmen. Hierzu
gehören die Amplitude, vertikale Wellenlänge, Periode und vertikale Phasengeschwindigkeit.
Zur spektralen Analyse der Temperaturabweichungen wird die Wavelet-Transformation genutzt,
die sowohl die Information über den Frequenzgehalt des Datensatzes, als auch die Lokalisierung
der einzelnen Frequenzanteile liefert. Dies bietet den Vorteil den Höhen- bzw. Zeitverlauf von
Schwerewellen-Perioden und -Wellenlängen charakterisieren zu können.
Im Rahmen der gemeinsamen Winterkampagne 2003 mit dem UBonn Lidar auf der Esrange
wurden Fallstudien zum Einfluss des skandinavischen Bergrückens auf Schwerewellen durchgeführt,
um speziell die orographische Anregung von Schwerewellen zu untersuchen. Abbildung
14.2 zeigt die abgeleiteten Temperaturprofile einer solchen gemeinsamen Messung
vom 19./20. Januar 2003, bei der beide Lidarinstrumente mehr als sieben Stunden gleichzeitig
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