Auf der Basis einer am Observatorium Collm erarbeiteten ALLEGRO-Datei mit 7800 Zitaten (Stand Mitte 1998) von Veröffentlichungen für das Gebiet der Dynamik der Hochatmosphäre wird eine Übersicht über die Entwicklung des Fachgebietes von den Anfängen bis zur Gegenwart gegeben. / On the basis of an ALLEGRO-file with 7800 quotations compiled at the Collm Geophysical Observatory it is given a survey of the development of the field of the dynamics of the upper atmosphere by the begins up to the present.

Within the scope of the OCEANET-Project (autonomous measurement platforms for energy and material exchange between ocean and atmosphere) on board of the research vessel (RV) Polarstern clouds have been investigated over the Atlantic Ocean under different atmospheric conditions and climate zones by active and passive remote sensing. An existing measurement platform, including lidar, microwave radiometer, all sky camera and broadband radiation sensors, has been extended by spectral radiation measurements with the COmpact RAdiation measurements System (CORAS). CORAS measures spectral downward radiances and irradiances in the visible to near-infrared wavelength region. The data were corrected to consider the movements of the ship and with it the misalignment of the sensor plane from earth’s horizon. Using observed and modeled spectral transmitted radiances cloud properties such as cloud optical thickness (tau ) and effective radius (reff) were retrieved. The vertical cloud structure with limitations for thick clouds is obtained from lidar and microwave radiometer measurements. The all sky camera provides information on the horizontal cloud variability. Cloud optical thickness and effective radius, will be retrieved by using a plane parallel radiative transfer model and a new spectral 3D retrieval method. / Im Rahmen des OCEANET-Projektes (autonome Messplattform zur Bestimmung des Material- und Energieaustauschs zwischen Ozean und Atmosphäre) wurden Wolken über dem Atlantischen Ozean unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen und Klimazonen an Bord des Forschungsschiffes Polarstern durch aktive und passive Fernerkundung untersucht. Die bereits existierende Messplattform (Lidar, Mikrowellenradiometer, Vollhimmels-Kamera, Standardmeteorologie und breitbandige Strahlung) wurde mit einem Spektrometersystem (CORAS) erweitert. CORAS misst spektrale abwärtsgerichtete Irradianzen und Radianzen im Wellenlängenbereich 350-2000 nm. Die Daten werden in Bezug auf die Schiffsbewegungen, sowie die horizontale Abweichung der Sensorebene lagekorrigiert. Mit beobachteten und modellierten Radianzen werden Wolkenparameter, wie die optische Dicke (tau) und der effektiveRadius (reff) abgeleitet. Die vertikale Wolkenstruktur (mit Beschränkungen für dicke Wolken) wird von Lidar- und Mikrowellenradiometer erhalten. Die Vollhimmelskamera liefert Informationen über die horizontale Wolkenverteilung. Die Wolkenparameter werden mit einem plan-parallelem Strahlungstransfermodell in Kombination mit einem neuen spektralen 3D Retrieval abgeleitet.

Since 2008 a group of scientists of the Leipzig Institute of Meteorology (LIM) and the German Research Centre for Geosciences Potsdam (GFZ) develops a method to derive water vapour profiles out of continuously available GNSS data (Global Navigation Satellite System). The aim of this project - supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - was to develop a processing system with related scientific algorithms, which uses data of regional GNSS ground networks to derive 3D water vapour distributions above these stations. This systems use the line of sight water vapour information from each ground station to every GNSS satellite in view (slants) as basis of a 3D tomographic reconstruction. At this time these reconstructions are based on GNSS data of about 330 German or near Germany located groundstations. This leads to a horizontal resolution of the reconstructed 3D water vapour field up to 40km and a vertical resolution of about 0.5km from the upper part of troposphere down to the atmospheric boundary layer (1km height). / Seit 2008 befasst sich eine Arbeitsgruppe von Wissenschaftlern am LIM und dem GFZ in Potsdam im Rahmen eines DFG-geförderten Projektes mit der Ableitung von dreidimensionalen Wasserdampfverteilungen in der Atmosphäre aus Beobachtungsdaten regionaler GNSS-Bodennetze (GlobaleNavigationsSatellitenSysteme). Die Wasserdampfverteilungen können aus der atmosphärischen Information entlang der Sichtlinien zwischen den Bodenstationen und den sichtbaren GNSS-Satelliten (sogenannte Slants) berechnet werden. Diese zahlreichen Sichtlinien ermöglichen eine tomographische Verarbeitung der Daten. Der entwickelte tomographische Algorithmus nutzt derzeit bis zu 330 deutsche und nahe Deutschland gelegene GNSS-Stationen, was eine horizontale Auflösung der resultierenden 3D-Felder von 40km und einer vertikalen Auflösung von 0,5km bis hinab zur atmosphärischen Grenzschicht (bis 1 km über dem Boden) ermöglicht

Two modules have been developed which qualify mesoscale atmospheric models for simulating the chemical transport at resolutions much higher than the model grid. Compared with total fine-grid application this method proves to be nearly so efficient but more economic. The modules solve the chemical transport equations (a) and submit the horizontal subgrid (b) for the meteorological and chemical calculations: (a) The chemical transport module considers the triad NO-N02-03 together with a simplified hydrocarbon chemistry. Involved are chemical reactions, anthropogenic and biogenic emission, dry deposition, passive transport, and turbulent diffusion. For these calculations a special vertical subgrid was introduced within the lowest atmospheric model layer. lt eliminates the frequently used approach of constant vertical particle fluxes near the surface. (b) The horizontal-subgrid module splits the horizontal model grid equidistantly into subgrid cells. The vertical surface fluxes of momentum, sensible and latent heat, radiation, soil heat and wetness, and chemical components are explicitly treated on this subgrid. The subgrid-averaged surface fluxes are employed for the (coarser) normal-grid calculations of the atmospheric meteorological variables. In contrast to the meteorological quantities, the chemical components and processes are perf ormed at all model layers on the horizontal subgrid. Several results are compared to conventional simulations of variable model resolution. / Zwei Programm-Module für mesoskalige Atmosphärenmodelle sind entwickelt worden, die Chemie-Transport-Vorgänge in höherer als der normalen Modellgitter-Auflösung simulieren. Im Vergleich zu hochaufgelösten Standardmodell-Anwendungen erweist sich diese Methode als effizienter. Die Module lösen die Chemie-Transport-Gleichungen (a) und schaffen das horizontale Untergitter für die meteorologischen und chemischen Berechnungen (b): (a) Im Chemie-Transport-Modul wird die Triade NO-N02-03 gemeinsam mit einer vereinfachten Kohlenwasserstoff-Chemie betrachtet. Berücksichtigt werden chemische Reaktionen, anthropogene und biogene Emissionen, trockene Deposition, passiver Transport und turbulente Diffusion. Für diese Berechnungen wurde innerhalb der untersten Modellschicht ein spezielles vertikales Untergitter eingeführt, um die in Oberflächennähe häufig angewendete Näherung konstanter Stoffflüsse zu eliminieren. (b) Das Untergitter-Modul unterteilt das horizontale Modellgitter in Unterzellen, auf welche die Berechnung der Boden- und Oberflächenflüsse bezogen wird. Die vertikalen Oberflächenflüsse von Impuls, sensibler und latenter Wärme, Strahlung, Bodenwärme und -feuchte sowie der chemischen Komponenten werden explizit im Untergitter bestimmt. Die über die Unterzellen gemittelten Flüsse werden für die im (gröberen) Modellgitter ablaufenden Berechnungen der meteorologischen Größen genutzt. Im Gegensatz dazu werden die chemischen Komponenten und Prozesse in allen Modellschichten vollständig auf dem Untergitter behandelt. Einige Ergebnisse dieser Methode werden im Vergleich mit Standard-Simulationen unterschiedlichen Auflösungsgrades gezeigt.

Ein neues C02-Parametrisierungsschema, das variable CO2-Konzentrationen im gesamten Höhenbereich von 15 - 150 km zuläßt, wurde in das Kölner Zirkulationsmodell der mittleren Atmosphäre (COMMA) implementiert und der Einfluß einer C02-Erhöhung im Bereich von 10% - 100% auf die Zirkulation der mittleren Atmosphäre untersucht. Die C02-Erhöhung bewirkt eine starke Abkühlung der gesamten mittleren Atmosphäre von 20 km bis zum oberen Modellrand mit Maximalwerten von 20 K in der Stratopause und höheren Werten in der unteren Thermosphäre bei CO2-Verdoppelung. Weiterhin wird eine starke Dämpfung der halbtägigen Gezeitenamplitude beobachtet, die das mittlere Windfeld und die Meridionalzirkulation in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre durch die Abnahme der Impulsablagerung aus den brechenden Gezeiten modifiziert. Die stärkste Dämpfung zeigt sich im Bereich niederer Breiten der Nord- und Südhemisphäre. Langzeitwindmessungen in der Mesopausenregion bestätigen den abnehmenden Trend der halbtägigen Gezeit. Daraus folgt, daß dieser Trend wahrscheinlich eine Folge der anthropogenen C02-Emission sind. / Using a state of the art C02 parametrization scheme for the middle atmosphere with variable C02 concentration, a comprehensive model study on C02 increase ranging from 10% - 100% above the present concentration has been performed. Strong cooling is present throughout the middle atmosphere from 20 km up to the top of the model domain with maximum values of about 20 K in the stratopause and even higher values in the lower thermosphere for the double C02 case. Besides this, damping of the semidiurnal tide modifies the mean wind field in the mesosphere/lower thermosphere region by weaker deposition of momentum from tidal breakdown. Strongest damping appears in the low latitude region. Long term midlatitude wind measurements in the mesopause region confirm these model results. Therefore the decrease of the semidiurnal amplitude is probably due to anthropogenic C02 emission.

Die Schallausbreitung in der Atmosphäre wird durch vertikale Gradienten meteorologischer Größen, insbesondere Lufttemperatur und Windvektor, maßgeblich beeinflusst. Ziel dieser Studie ist die Abschätzung des Einflusses einer Schallstrahlenrefraktion infolge von Temperatur- und Windgradienten auf die Laufzeit akustischer Signale zwischen Sendern und Empfängern. Mit Hilfe des hier vorgestellten Schallstrahlenmodells SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing) wird die Differenz der Laufzeiten entlang des gekrümmten Schallweges (mit Refraktion) und entlang der geraden Verbindungslinie (ohne Refraktion) zwischen einem Sender und einem Empfänger berechnet. Je größer die Sender-Empfänger-Entfernung und je größer der Unterschied zwischen Sender- und Empfängerhöhe sind, desto größer sind auch die Beträge der Laufzeitunterschiede. Der gekoppelte Einfluss von Temperatur- und Windprofil auf die Schallstrahlenrefraktion lässt zum großen Teil jedoch keine pauschalen Abschätzungen der Laufzeitdifferenz zu. Die erzielten Untersuchungsergebnisse werden insbesondere für eine Einschätzung der Anwendbarkeit einer Schallstrahlapproximation (geradlinige Schallstrahlen) bei der akustischen Laufzeittomographie benötigt. / Sound propagation inside the atmosphere is mainly influenced by vertical gradients of meteorological quantities, in particular air temperature and wind vector. The aim of this study is to estimate the influence of the sound ray refraction on the travel time of acoustic signals between transmitters and receivers due to temperature and wind gradients. The difference of the travel times along the curved sound ray (with refraction) and along the straight line (without refraction) between the transmitter and the receiver is calculated by means of the presented sound-ray model SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing). The greater the transmitter-receiver-distances, and the greater the height-level differences of transmitter and receiver, the greater are the travel-time differences. However, the coupled influence of temperature and wind profiles on the sound-ray refraction does mostly not allow an universal estimation of the travel-time difference. The obtained results are necessary to validate the sound-ray approximation (straight-line approximation) applied by the acoustic tomography.

It is presented how the original isotropic boundary condition in a Gauss-Seidel radiative transfer model is generalized to describe an angular dependent surface reflection. A symmetry about the plane of incidence is assumed since the general case of an arbitrary non-symmetric reflection is to costly. As a result using Hapke\''s BRDF the upward radiance at the surface and the top of the atmosphere are discussed and compared to the results with the original isotropic boundary condition. In addition we discuss the impact of Rayleigh scattering and aerosol extinction on the reflected solar radiance field. / Es wird dargestellt wie die untere Randbedingung in unserem Gauss-Seidel Strahlungstransportmodell erweitert wird, um eine richtungsabhängige Reflexion beschreiben zu können. Da die Beschreibung einer asymmetrischen Bodenreflexion zu aufwendig wäre, beschränken wir uns dabei auf den Fall, bei dem die Reflexion symmetrisch bezüglich der Einfallsebene ist. Als Ergebnisse werden die aufwärtsgerichtete Strahldichte unmittelbar am Erdboden und am Atmosphärenoberrand diskutiert und mit den Ergebnissen für die ursprünglich isotrope Reflexion verglichen. Außerdem wird auf den Einfluß der Rayleigh Streuung und der Extinktion durch die Aerosolpartikel auf das reflektierte solare Strahldichtefeld eingegangen.

Eine wichtige Aufgabe des Umweltschutzes besteht in der Überwachung von Geräuschimmissionen. Die Grenzen der bisher verwendeten, operationellen Verfahren zeigen sich vor allem darin, dass der Einfluss der Atmosphäre auf die Schallausbreitung nur unzureichend berücksichtigt wird. In dieser Studie wird deshalb ein Modell aus dem Bereich der geometrischen Akustik zur Einbeziehung des Atmosphärenzustandes in die Schallprognose vorgestellt. Das Modell SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing) bestimmt die durch Schallstrahlenrefraktion modifizierten Schallausbreitungsbedingungen für ein Gebiet entsprechend der vorgegebenen thermischen Atmosphärenschichtung und den Vertikalprofilen von Windgeschwindigkeit und –richtung. Ein wichtiger Schritt bei der Weiterentwicklung von SMART war die Implementierung eines Refraktionsgesetzes, welches die Schallstrahlenbrechung an Schichtgrenzen in einem zweidimensional geschichteten, bewegten Medium exakt beschreibt. Die Unterschiede in der Schallstrahlenberechnung zwischen diesem Modell und früheren Simulationen machen sich insbesondere für Entfernungen von der Schallquelle zwischen 1 und 3 km bemerkbar. Da in diesem Bereich eine verstärkte Lärmbelastung gegenüber vorangegangenen Simulationen auftritt, wird die Verwendung des physikalisch exakten Refraktionsgesetzes für eine bewegte Atmosphäre im Rahmen von Lärmschutzuntersuchungen empfohlen. / An important problem regarding the environmental protection is the immission control of noise. The applicability of currently operational methods is limited because the influence of the atmosphere on the sound propagation is only insufficiently taken into account. Thus, a geometrical sound propagation model is presented in this study to include the state of the atmosphere into the forecast of noise immission. The model SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing) calculates the modified sound propagation conditions due to sound-ray refraction for an area according to the given thermal stratification of the atmosphere and the vertical profiles of wind speed and wind direction. An important step during the further development of the model SMART was the implementation of a refraction law, that is exactly valid for the sound-ray refraction at the boundary between two layers with different properties inside a twodimensional, stratified moving medium. Maximal differences between simulations with this model and former investigations occur at a distance of 1-3 km away from the sound source. A stronger noise immission is also notable in this area. Because of this result it is recommended to use the presented physically more exact refraction law for a moving atmosphere within the scope of noise immission control.

Mit Hilfe numerischer Simulationen wird gezeigt, dass manche Änderungen des klimatologischen Hintergrundwindfeldes zu instabilem mittleren Zonalwind in der mittleren Atmosphäre Sommerhemisphäre führen. Diese Instabilität treibt Oszillationen mit einer Periode um 2 Tage an, welche eine zonale Wellenzahl von s = 3 oder 4 aufweisen. Beobachtete Variationen des mittleren Windes stehen in Verbindung mit diesen numerisch gefundenen Schwingungen. Starke 2-Tage-Wellen wiederum sind instabil und können daher Wellen längerer Periodendauer und kleinerer Wellanzahl anregen. Dieser Effekt ist jedoch nur für sehr starke 2-Tage-Wellen signifikant. Effektiver ist ein Prozess, bei dem nichtlineare Wechselwirkung zwischen einer 10-14-Tage-Welle und der 2-Tage-Welle der zonalen Wellenzahl 4 eine neue quasi-2-Tage-Welle mit einer Periodendauer von 55-60 Stunden anregt. Diese Welle generiert sekundäre Wellen effektiver als die ursprüngliche 2-Tage-Wellen; die sekundären Wellen können beobachtet werden. / Basing on numerical calculations we have demonstrated that some changing of the climatological background atmosphere could lead to an unstable mean zonal wind distribution in the summer middle atmosphere. This instability forces oscillations propagating westward with a period of about 2 days and zonal wavenumbers s = 3 and/or 4. There are variations in the mean zonal wind distribution due to the excitation and transient propagation of these waves and numerical results correspond to features of these changes obtained in experimental studies. Strong 2-day waves in turn are unstable and can generate secondary waves with longer periods and lower zonal wavenumbers. This effect is significant only for very strong 2-day waves. It is shown that the 2-day wave with s=3 forced by non-linear interaction between 10-14 day planetary waves and the 2-day wave of zonal wave number 4 is unstable. This wave generates secondary waves of lower zonal wavenumbers more easily than the primary 2-day waves and these secondary waves may be observed.

Mit dem Schallstrahlenmodell SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing) werden die Auswirkungen der Schallstrahlenrefraktion in der Atmosphäre und der Schallstrahlenreflexion am schallharten Boden auf die Schallimmission untersucht. Die gekoppelte Wirkung von Temperatur-, Windgeschwindigkeits- und Windrichtungsprofilen auf die Lärmbelastung an einem Ort über einer schallharten Oberfläche wird für eine große Anzahl möglicher Atmosphärenzustände simuliert und mit Schallausbreitungsrechnungen für eine absorbierende Bodenschicht verglichen. Ein Drittel der Bildpunkte der resultierenden Schalldämpfungskarten unterscheiden sich im Mittel signifikant voneinander. Die größten Unterschiede ergeben sich bei Temperaturinversionen. Hier treten für die Simulationen mit Bodenreflexionen geringere Schalldämpfungen gegenüber dem Fall ohne Bodenreflexionen auf. Diese kritischen Situationen mit einer verstärkten Lärmbelastung sind bei einer Überarbeitung von Lärmschutzrichtlinien besonders zu beachten. / Effects of sound-ray refraction in the atmosphere and sound-ray reflection at the sound-hard surface on the sound immission are investigated using the sound-ray model SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing). The coupled effect of temperature, wind velocity and wind direction profiles on the noise immission at one location over a sound-hard surface is simulated for a great number of possible states of the atmosphere. The results are compared with sound propagation simulations over a sound-absorbing soil layer. One third of the pixels of the resulting sound attenuation maps are significantly different from each other on the average. The greatest differences appear in cases of temperature inversion. Thereby, the simulations with reflections at the surface lead to smaller sound attenuation in comparison to the case without reflections at the surface. Such critical situations with an amplified noise immission have to be especially considered during the improvement process of noise immission control.