Eine verbesserte Methode zur Erfassung der Parameter interner Schwerewellen mit Hilfe von Winddaten eines Meteorradars wird vorgestellt. Die Analyse basiert auf der Einteilung des Messvolumens in Untervolumina und der Waveletanalyse der Windmessungen in diesen, mit anschließender Bestimmung der Phasenlage der spektralen Maxima. Auf diese Weise ist zum ersten Mal eine Statistik von Schwerewellenparametern aus Meteorradardaten unter Einschluss der horizontalen und vertikalen Wellenlängen und Ausbreitungsrichtungen erstellt worden. Es zeigte sich, dass sich der größte Teil der Schwerewellen sich oben ausbreitet. Hochfrequente Wellen mit Periodendauern unter 2 Stunden dominieren. Die Verteilung der erfassten Wellen innerhalb eines Tages zeigt eine geringe Struktur, mit Maxima am Morgen und Abend.

The ionosphere-thermosphere can be considered to a certain degree as a system, which is externally-driven by the extreme-ultraviolet solar radiation. The main components in the regular variation are connected to the solar cycle, solar rotation and the diurnal cycle. However, anomalies and periodicities of several days, which cannot be related to changes in the solar activity at all times, were detected in ionospheric parameters. It is assumed that the total variation in the ionosphere is partly forced by waves coming from below. This thesis provides a clearer picture of the seasonal changes of wave phenomena observed in the ionosphere and its possible relation to lower atmospheric structures. Since such global disturbances in the middle atmosphere are termed as planetary waves (PW), such features in the ionosphere are declared as planetary wave type oscillations (PWTO), although a direct connection is excluded.Northern hemispheric maps of the Total Electron Content (TEC) derived from GPS-signals that are currently used for monitoring the ionospheric F-region in relation to space weather provide a basis for investigating PWTO applying space-time analysis methods to separate stationary and traveling wave components from the data. Compared to analyses of PW obtained by regular stratospheric reanalyses the seasonal behavior and possible coexisting wave activities during the considered period of time (2002-2008) are presented. Such a climatological consideration has revealed that recurring events in the course of the solar cycle are rare, but it seems that the westward propagating quasi 16-day wave with zonal wavenumber 1, analysed from stratospheric MetO reanalyses, and the ionosphere are indirectly coupled. Generally, the correspondence of other components are restricted around the solar maximum 2002-2005. There are some suggestions, how the middle and upper atmosphere are connected by PW. Sounding of the middle atmosphere by remote sensing techniques from satellites (e.g. SABER on TIMED) deliver a suitable basis to investigate the coupling by the modulation of gravity waves (GW). By calculating the potential energy for a certain wave spectrum, characterized by vertical wavelength shorter than 6 km, and determining proxies of traveling waves permits to investigate a possible mechanism. The results reveal that GW partly penetrate the lower thermosphere carrying a modulation by PW. In some cases, especially during the first three winter, near solar maximum, stratospheric PW show a good correlation to indirect signals in the lower thermosphere and to PWTO in the ionospheric F-region near 300 km.

Der Einfluss interner Schwerewellen (IGW) auf die untere Atmosphäre bei stabiler Schichtung wurde mittels einer Kombination zweier akustischer Fernerkundungsmethoden untersucht. Im Juli 2015 wurde in Zvenigorod, Russland ein gemeinsames Experiment durchgeführt, an welchem sowohl eine Arbeitsgruppe des Oboukhov Institute of Atmospherie Physics (OLAP) als auch des Leipziger Instituts für Metrologie (LIM) teilnahmen. Bei der Feldkampagne wurde die sogenannte acoustic pulse sounding method des OLAPs und die aktustische Laufzeittomographie des LIM eingesetzt, SODAR und RASS Messungen kontrollierten dabei ständig den Zustand der Atmosphäre bezüglich der Wind- und Temperaturprofile. Die internen Schwerewellen wurden anschließend mittels Kreuzkorrelationsanalyse der Zeitserien der gemessenen akustischen Parameter (hier:Laufzeiten) detektiert. Die Empfängersysteme waren an verschiedenen Stellen im Messgebiet verteilt. Deswegen konnten zwei verschiedene Detektionsmethoden angewendet werden. Erstens die Detektion entlang gebrochener Schallstrahlen in der Nähe deren Umkehrpunkte zwischen 50m und 100m und zweitens die Detektion von nahezu horizontal verlaufenden Schallstrahlen welche Sender/Empfänger-Paare verbinden. Somit konnten sowohl vertikale als auch horizontale Informationen über den Zustand der Atmosphäre während des Experiments erfasst werden.

Numerical experiments with the Middle and Upper Atmosphere Model with modified parameterization settings were carried out to study the response of the mesosphere/lower thermosphere (MLT) wind circulation to the non-orographic gravity waves (GWs) originating from the lower atmosphere. The modification of the phase speed spectrum controls the height of the zonal wind reversal due to strengthening of the westerly winds. The simulation results obtained for various latitudinal distributions of the intensity of non-orographic GWs at the source level show that the zonal circulation is most sensitive to GWs variability at high latitudes. The latitudinal distribution of GW intensity, produced by the global distribution of convective processes and seasonal variations in GW sources, and modified phase speed spectrum made it possible to simulate the major zonal circulation structures observed by MLT wind radar. / Numerische Experimente mit dem Middle and Upper Atmosphere Model mit modifizierten Parametriesierungseinstellungen wurden durchgeführt, um die Reaktion der Zirkulation der in der Mesosphäre / unteren Thermosphäre (MLT) auf nicht-orographische Schwerewellen (SW) zu untersuchen, die von der unteren Atmosphäre ausgehen. Die Modifikation des Phasengeschwindikeitsspektrums steuert die Höhe der zonalen Windumkehr aufgrund der Verstärkung der Westwinde. Die Simulationsergebnisse für verschiedene Breitenverteilungen der Intensität nicht-orographischer SW in Quellenhöhe zeigen, dass die zonale Zirkulation am stärksten auf SW-Variabilität in hohen Breiten reagiert. Die Breitenverteilung der SW-Intensität, die durch die globale Verteilung konvektiver Prozesse und saisonaler Variationen der SW-Quellen erzeugt wird, und das modifizierte Phasengeschwindkeitsspektrum ermöglichten es, die wichgsten zonalen Zirkulationsstrukturen zu simulieren, die von einem MLT-Windradar beobachtet wurden.

Atmospheric solar tides play an important role in the vertical transport of energy and momentum from the troposphere to the middle and upper atmosphere. They are primarily excited by the absorption of solar heating in the troposphere and stratosphere. The periods of solar tides are according to the harmonics of the diurnal solar radiation variations. While the diurnal and semidiurnal tides are relatively well investigated, the terdiurnal tide has gained less attention to date, especially with regard to its possible excitation mechanisms. These become more complex for higher harmonics because the direct solar forcing is smaller and further possible excitation mechanisms such as nonlinear tidal interactions, gravity wave-tide interactions or tidal-mean flow interactions come into play. The terdiurnal tide has been observed from various ground-based instruments and by remote sensing techniques, but these measurements only provide an overview of the total terdiurnal tide as a product of all forcing mechanisms. At present, it is not possible to measure the contribution from individual forcings. Therefore, numerical models provide a powerful tool to separate the different forcing mechanisms and to analyze their contribution and interplay. A few model studies exist about this topic but they do not provide a comprehensive picture, and they are partly contradicting. Possible reasons are the respective model features and setups or narrowly focused analyses. The terdiurnal gravity wave forcing, for example, has never been considered in these studies even though gravity waves are known to have a large impact on the middle atmosphere dynamics. To extend the knowledge of that topic, a nonlinear mechanistic global circulation model is used in this thesis. This is a comprehensive numerical study to investigate the relative importance of three different terdiurnal forcing mechanisms and their interplay, including the direct solar forcing, nonlinear tidal interactions and gravity wave-tide interactions. For the first time, the forcing terms itself are analyzed and quantified. Different tidal modes are correlated to identify tidal interactions. Model simulations are presented that show the contribution of individual forcings on the observed wave amplitude in the mesosphere and lower thermosphere. Finally, new coupling features between the different forcings are discovered that have not been reported before. All together, this modeling study is the most extensive and comprehensive analysis about the forcing mechanisms of the terdiurnal tide, and it helps to fill a significant gap in the understanding of wave propagation in the middle atmosphere.:Bibliographische Beschreibung Bibliographic Description Acronyms 1. Introduction 2. Terdiurnal Solar Tides 2.1. Review of the Climatology of Terdiurnal Tides 2.2. Forcing of Terdiurnal Tides 2.2.1. Theory of Forcing Mechanisms 2.2.2. Model Studies 2.3. Summary and Open Questions 3. The Middle and Upper Atmosphere Model (MUAM) 3.1. Overview 3.2. Numerical Properties 3.3. Dynamics 4. Climatology of the Terdiurnal Tide in MUAM 4.1. Amplitudes 4.2. Phases and Vertical Wavelengths 5. The Terdiurnal Forcing Mechanisms in MUAM 5.1. The Terdiurnal Forcing Terms – In-Situ Excitation 5.1.1. The Solar Forcing 5.1.2. The Gravity Wave Forcing 5.1.3. The Nonlinear Forcing 5.2. Nonlinear Tidal Interactions - Common Analysis Methods 5.2.1. The Wavelength Criterion 5.2.2. The Correlation Analysis 5.3. Propagating Terdiurnal Tides 5.3.1. The Removal of Excitation Mechanisms in a MUAM Simulation 5.3.2. Simulation Overview 5.3.3. Seasonal and Global Structure of the Terdiurnal Tide from Individual Forcing Mechanisms 5.3.4. Interactions Between Different Forcing Mechanisms 5.4. The Impact of Terdiurnal Forcing Terms on the Background Circulation 5.5. Summary of the Terdiurnal Forcing Mechanisms 6. Summary and Conclusion 7. Outlook References A. Appendix: MUAM Reference Simulation B. Appendix: MUAM Simulations with Removed Forcings Acknowledgements Curriculum Vitae Affirmation / Atmosphärische solare Gezeiten spielen eine bedeutende Rolle für den Vertikaltransport von Energie und Impuls aus der Troposphäre in die mittlere und obere Atmosphäre. Sie werden primär durch Absorption solarer Strahlung in der Troposphäre und Stratosphäre angeregt. Die Perioden der solaren Gezeiten entsprechen den harmonischen Anteilen der täglichen Variation solarer Strahlung. Während die täglichen und halbtägigen Gezeiten relativ gut erforscht sind, haben die dritteltägigen Gezeiten bisher weniger Aufmerksamkeit, insbesondere in Bezug auf ihre Anregungsmechanismen, auf sich gezogen. Diese werden für höhere harmoni-sche Anteile komplexer, da die solare Anregung geringer ist und weitere Anregungsmechanismen wie nichtlineare Wechselwirkungen zwischen Gezeiten untereinander, mit Schwerewellen oder mit der mittleren Strömung ins Spiel kommen. Die dritteltägigen Gezeiten wurden bereits vielfach von bodengebundenen Instrumenten und mit Fernerkundungsmethoden beobachtet, jedoch bieten diese Messungen lediglich einen Überblick über die gesamten dritteltägigen Gezeiten als Produkt aller Anregungsmechanismen. Bis heute ist es nicht möglich, die Beiträge einzelner Anregungen zu messen. Deshalb sind numerische Modelle ein mächtiges Werkzeug, diese verschiedenen Anregungen zu separieren und ihre Beiträge und ihr Zusammenspiel zu analysieren. Es gibt einige wenige Modellstudien zu diesem Thema, aber diese bieten kein umfassendes Bild und sind teilweise widersprüchlich. Mögliche Gründe sind die entsprechenden Modelleigenschaften und -einstellungen und die schmal fokussierte Analyse. So wurde z.B. die dritteltägige Schwerewellenanregung bisher nie in die Betrachtungen einbezogen, obwohl bekannt ist, dass Schwerewellen einen großen Einfluss auf die Zirkulation der mittleren Atmosphäre haben. Um das Wissen zu diesem Thema zu erweitern, wird in dieser Arbeit ein nichtlineares, mechanistisches, globales Zirkulationsmodell genutzt. Es handelt sich um eine umfassende numerische Studie, um die relative Wichtigkeit und das Zusammenspiel von drei dritteltägigen Anregungsmechanismen zu untersuchen: die direkte solare Anregung, nichtlineare Wechselwirkungen zwischen Gezeiten und Schwerewellen-Gezeiten-Wechselwirkungen. Zum ersten Mal werden die Anregungsterme selbst analysiert und quantifiziert. Verschiedene Gezeitenmoden werden korreliert, um Interaktionen zwischen Gezeiten zu identifizieren. Es werden Modellsimulationen vorgestellt, welche die Beiträge der einzelnen Anregungen zu den beobachteten Wellenamplituden in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre zeigen. Schließlich werden neue Kopplungsmechanismen zwischen den verschiedenen Anregungen entdeckt, wovon zuvor noch nicht berichtet wurde. Zusammenfassend ist diese Modellstudie die aufwändigste und umfassendste Analyse zu den Anregungsmechanismen der dritteltägigen Gezeiten und sie hilft eine entscheidende Lücke zum Verständnis der Wellenausbreitung in der mittleren Atmosphäre zu füllen.:Bibliographische Beschreibung Bibliographic Description Acronyms 1. Introduction 2. Terdiurnal Solar Tides 2.1. Review of the Climatology of Terdiurnal Tides 2.2. Forcing of Terdiurnal Tides 2.2.1. Theory of Forcing Mechanisms 2.2.2. Model Studies 2.3. Summary and Open Questions 3. The Middle and Upper Atmosphere Model (MUAM) 3.1. Overview 3.2. Numerical Properties 3.3. Dynamics 4. Climatology of the Terdiurnal Tide in MUAM 4.1. Amplitudes 4.2. Phases and Vertical Wavelengths 5. The Terdiurnal Forcing Mechanisms in MUAM 5.1. The Terdiurnal Forcing Terms – In-Situ Excitation 5.1.1. The Solar Forcing 5.1.2. The Gravity Wave Forcing 5.1.3. The Nonlinear Forcing 5.2. Nonlinear Tidal Interactions - Common Analysis Methods 5.2.1. The Wavelength Criterion 5.2.2. The Correlation Analysis 5.3. Propagating Terdiurnal Tides 5.3.1. The Removal of Excitation Mechanisms in a MUAM Simulation 5.3.2. Simulation Overview 5.3.3. Seasonal and Global Structure of the Terdiurnal Tide from Individual Forcing Mechanisms 5.3.4. Interactions Between Different Forcing Mechanisms 5.4. The Impact of Terdiurnal Forcing Terms on the Background Circulation 5.5. Summary of the Terdiurnal Forcing Mechanisms 6. Summary and Conclusion 7. Outlook References A. Appendix: MUAM Reference Simulation B. Appendix: MUAM Simulations with Removed Forcings Acknowledgements Curriculum Vitae Affirmation

The ionosphere-thermosphere can be considered to a certain degree as a system, which is externally-driven by the extreme-ultraviolet solar radiation. The main components in the regular variation are connected to the solar cycle, solar rotation and the diurnal cycle. However, anomalies and periodicities of several days, which cannot be related to changes in the solar activity at all times, were detected in ionospheric parameters. It is assumed that the total variation in the ionosphere is partly forced by waves coming from below. This thesis provides a clearer picture of the seasonal changes of wave phenomena observed in the ionosphere and its possible relation to lower atmospheric structures. Since such global disturbances in the middle atmosphere are termed as planetary waves (PW), such features in the ionosphere are declared as planetary wave type oscillations (PWTO), although a direct connection is excluded.Northern hemispheric maps of the Total Electron Content (TEC) derived from GPS-signals that are currently used for monitoring the ionospheric F-region in relation to space weather provide a basis for investigating PWTO applying space-time analysis methods to separate stationary and traveling wave components from the data. Compared to analyses of PW obtained by regular stratospheric reanalyses the seasonal behavior and possible coexisting wave activities during the considered period of time (2002-2008) are presented. Such a climatological consideration has revealed that recurring events in the course of the solar cycle are rare, but it seems that the westward propagating quasi 16-day wave with zonal wavenumber 1, analysed from stratospheric MetO reanalyses, and the ionosphere are indirectly coupled. Generally, the correspondence of other components are restricted around the solar maximum 2002-2005. There are some suggestions, how the middle and upper atmosphere are connected by PW. Sounding of the middle atmosphere by remote sensing techniques from satellites (e.g. SABER on TIMED) deliver a suitable basis to investigate the coupling by the modulation of gravity waves (GW). By calculating the potential energy for a certain wave spectrum, characterized by vertical wavelength shorter than 6 km, and determining proxies of traveling waves permits to investigate a possible mechanism. The results reveal that GW partly penetrate the lower thermosphere carrying a modulation by PW. In some cases, especially during the first three winter, near solar maximum, stratospheric PW show a good correlation to indirect signals in the lower thermosphere and to PWTO in the ionospheric F-region near 300 km.

The Middle and Upper Atmosphere Model (MUAM) is used to implement a modern whole atmosphere gravity wave (GW) parameterization (Yigit et al., 2008). To adjust the resulting model climatology to observations, we compare two different spectra of GW phase speeds and the related momentum fluxes included in this parameterization.The first spectrum, termed Spectrum1, which is more narrow, covers phase speeds up to ±80 m s−1 and the second one, Spectrum2, goes up to ±95 m s−1. We analyzed the zonal GW drag, the acceleration of the zonal mean flow owing to breaking GWs, and the resulting background circulation. We also examined zonal wind amplitudes of the diurnal and semidiurnal migrating solar tide. As a result, we find that both GW phase speed spectra have their advantages and disadvantages. For example, Spectrum1 reproduces the zonal wind reversal in the mesosphere correctly, but it does not lead to a reversed zonal GW drag in the lower thermosphere. While the amplitudes of the diurnal tide tend to be more realistic for Spectrum1, those of the semidiurnal tide are more representational for Spectrum2. Overall, the new GW parameterization is a substantial improvement to the MUAM model. / Das Modell für die mittlere und obere Atmosphäre (MUAM) wird für die Implementierung einer neuen Schwerewellenparametrisierung, die für die gesamte Atmosphäre geeignet ist, verwendet (Yigit et al., 2008). Um die Klimatologie des Modells basierend auf der neuen Parametrisierung an Beobachtungen anzupassen, werden zwei verschiedene Spektren für die Phasengeschwindigkeiten von Schwerewellen und deren Impulsflüsse verglichen. Das erste Spektrum, als Spectrum1 bezeichnet, das einen schmaleren Bereich von Phasengeschwindigkeiten abdeckt, geht bis zu ±80 m s−1 und das zweite, Spectrum2, geht bis zu ±95 m s−1. Wir analysieren die Beschleunigung des mittleren Zonalwindes durch brechende Schwerewellen und die daraus resultierende Hintergrundzirkulation. Wir untersuchen ebenfalls die Zonalwindamplituden der ganztägigen und halbtätigen migrierenden solaren Gezeiten. Das Ergebnis dieses Experiments zeigt, dass beide Phasengeschwindigkeitsspektren ihre Vor- sowie Nachteile haben. Beispielsweise reproduziert Spectrum1 die Umkehr des Zonalwindes in der Mesosphäre korrekt, jedoch führt es nicht zu einer umgekehrten zonalen Beschleunigung durch Schwerewellen in der Thermosphäre. Während die Amplituden der ganztägigen Gezeit bezüglich Spectrum1 wesentlich realistischer zu sein scheinen, sind jene der halbtägigen Gezeit bezüglich Spectrum2 repräsentativer. Insgesamt ist die neue Parameterisierung eine erhebliche Verbesserung des MUAM Modells.

Gravity wave amplitudes and momentum fluxes derived from SABER temperature measurements are analysed together with Collm meteor radar zonal winds. The momentum flux (MF) divergence derived from the SABER temperatures shows a maximum that is found at greater altitudes during solar minimum than during solar maximum. Therefore, the zonal mean wind and wind shear profiles are shifted upwards then, leading to a modulation of the otherwise negative correlation between solar cycle and mesosphere/lower thermosphere winds. / Amplituden von Schwerewellen und zugehörigen Impulsflüsse werden zusammen mit Windmessungen des Meteorradars Collm analysiert. Die Impulsflussdivergenz, abgeleitet aus SABER-Temperaturprofilen, hat ein Maximum welches im solaren Minimum nach oben verschoben ist. Dadurch werden auch die Vertikalprofile des Zonalwindes und der Windscherung nach oben verschoben, wodurch die ansonsten negative Sonnenfleckenzyklusabhängigkeit des zonalen Windes in der Mesosphäre/unteren Thermosphäre im solaren Minimum umgekehrt wird.