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

33 Validierung des globalen Modells HAMMONIA mit Radar-,
Lidar- und Raketendaten
(M. Zecha, P. Hoffmann, J. Höffner, F.-J. Lübken, H. Schmidt 3 )
Im Rahmen des Atmosphärenforschungsprogramms AFO2000 beteiligt sich das IAP Kühlungsborn
an dem Verbund MEDEC (Mesospheric Dynamics, Energetics, and Chemistry), welcher von
insgesamt fünf Instituten in Deutschland gebildet wird. Das Ziel des Projektes besteht darin,
Ergebnisse verschiedenartiger Messungen in der Mesosphäre/unteren Thermosphäre mit den
Berechnungen globaler Modelle zu vergleichen, um ein besseres Verständnis der dort ablaufenden
physikalischen und chemischen Prozesse zu erhalten.
Vom IAP wurde dabei einerseits das umfangreiche Datenmaterial, welches mit Hilfe von
Radars, Lidars und raketengetragenen Instrumenten in den letzten Jahren gewonnen wurde,
selektiert, überprüft und aufbereitet. Zum anderen wurden während der Projektlaufzeit auch
die Ergebnisse aktueller Messkampagnen in die Datenbasis integriert und weitere Datenquellen
internationaler Kooperationspartner erschlossen. Dadurch war es möglich, die Quantität
und Qualität der experimentell gewonnenen Daten weiter zu erhöhen. Insgesamt liegen nun
Messwerte für etwa zehn Stationen vor.
Das IAP führt selbst Messungen zur thermischen und dynamischen Struktur der oberen
Atmosphäre in unterschiedlichen geographischen Breiten durch. So fanden z.B. in den Jahren
2001 – 2003 unter schwierigsten arktischen Bedingungen Messkampagnen auf Spitzbergen (78 ◦ N)
statt, um den Kenntnisstand über die polare Mesosphäre zu erweitern. Sie ist während der Sommermonate
durch die niedrigsten Temperaturen in der Erdatmosphäre gekennzeichnet, welche
zu so interessanten Phänomenen wie leuchtende Nachtwolken und mesosphärische Sommerechos
führen (siehe z.B. Kap. 11 und 27).
Für Modellierungen der mittleren und oberen Atmosphäre stellt es eine große Herausforderung
dar, diese niedrigen Temperaturen zu reproduzieren. Ein Vorteil bei der Entwicklung
des neuen globalen Zirkulationsmodells HAMMONIA des Max-Planck-Instituts für Meteorologie
in Hamburg war nun die Möglichkeit, im Rahmen des MEDEC-Projektes bereits die ersten
Versionen des Modells mit den vorhandenen Datensätze des IAP zu validieren. So konnten die
Randbedingungen und Parameter des Modells anhand realer Messdaten schon frühzeitig überprüft
und verbessert und somit die weitere Modellentwicklung positiv beeinflusst werden.
Wie Vergleiche zeigen, spiegelt die aktuelle Modellversion recht gut den saisonalen Temperaturverlauf
in der Mesosphäre mit den extrem niedrigen Werten im Sommer wider. In Abb. 33.1
sind als Beispiel die Werte der Klimatologie der mittleren Temperaturen, die auf raketengetragenen
Messungen (Fallende Kugeln) mehrerer Jahre über Andenes (69 ◦ N) basieren, und
die entsprechenden über 10 Jahre gemittelten Temperaturdaten des HAMMONIA-Modells gegenübergestellt.
Die Schwierigkeiten liegen derzeit vor allem in der Überführung der Druckkoordinaten
des Modells in absolute Höhenwerte, um den Vergleich mit den Messwerten zu
ermöglichen. Werden die Angaben jedoch um etwa 3 km korrigiert, ergeben sich über einen
weiten Höhenbereich sehr gute Übereinstimmungen zwischen Modell und Messungen.
Auf der Grundlage langjähriger MF-Radar-Messungen wurden weiterhin mittlere Felder von
Winden, Gezeiten und langperiodischen Oszillationen in unterschiedlichen Breiten bestimmt, um
sie mit den Modellergebnissen zu vergleichen. Für mittlere Breiten (Juliusruh, 54 ◦ N) werden
einige grundlegende Eigenschaften der mittleren jahreszeitlichen Zonalwindvariation, wie z.B.
der typische starke östliche Windjet in der Sommermesosphäre und die Umkehr zu schwächeren
westlichen Winden im Winter, gut durch das Modell wiedergegeben. Als Beispiel sind in
Abb. 33.2 die Jahresgänge bei geringer Sonnenaktivität gegenübergestellt. Analog zu den Temperaturvergleichen
zeigt sich allerdings auch hier eine Höhendifferenz, z.B. wenn man die Höhen
der Umstellung des sommerlichen Ostwindes auf den in der Thermosphäre vorherrschenden, vom
Modell aber wesentlich stärker wiedergegebenen, Westwind vergleicht.
3 Max-Planck-Institut für Meteorologie, Hamburg
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