Die Surface Renewal Analysis wurde zur Bestimmung sensibler Wärmeflußdichten im bodennahen Bereich der atmosphärischen Grenzschicht genutzt und mit der Eddy - Korrelations - Methode verglichen. Dazu wurden beide Berechnungsmethoden auf Temperatur - und Vertikalwinddaten angewandt, die unter Verwendung von Strukturfunktionen simuliert wurden. Zur Überprüfung der Resultate wurden über zwei verschiedenen Unterlagen (Wiese und Düne) hochfrequente Zeitreihen von Temperatur und Vertikalwind gemessen und mit der Surface Renewal Analysis und der Eddy - Korrelations - Methode analysiert. / The Surface Renewal Analysis was used to estimate the sensible heat flux density in the ground near area of the boundary layer. The results were compared with eddy correlation method. For it both methods were used to analyse temperature- and vertical velocity-data, which were simulated by the application of structure functions. Time series of high frequency temperature- and vertical velocity-data over two different canopies (meadow and dune) were measured to examine the results. The data were analysed with surface renewal analysis and eddy correlation.

Windmessungen im Mesopausenbereich über Mitteleuropa (Collm, 52°N, I5°E) werden im Hinblick auf Langzeittrends und eine eventuelle Abhängigkeit vom 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus hin untersucht. Der Einfluß der solaren Variabilität ist jahreszeitenabhängig; nur in Frühjahr und Sommer wird eine signifikante Korrelation gefunden. Im Sommer ist diese Abhängigkeit mit stärkeren vertikalen Gradienten des mittleren zonalen Grundwindes im solaren Maximum verbunden. Dies weist auf einen Ursprung dieser Abhängigkeit in der Stratosphäre/Mesosphäre sowie auf Koppelungsmechanismen zwischen Stratosphäre, Mesosphäre und unteren Thermosphäre hin. Da die 2-Tage-Welle vom Gradienten abhängt, führt dies zu einer positiven Korrelation zwischen der Amplitude der 2-Tage-Welle und der Sonnenfleckenrelativzahl. / Mesopause winds over Central Europe (Collm, 52°N, I5°E) are analysed with respect to longterm trends and 11-year solar cycle dependencies. The response of the prevailing wind to the solar cycle differs throughout the year. While in winter no significant correlation between the zonal prevailing wind and the solar activity is found, in spring and summer a negative correlation between solar activity and zonal prevailing wind can be seen from the measurements. This is connected with strenger vertical gradients of the zonal prevailing wind during solar maximum than during solar minimum. This hints to a forcing of the mesopause region dynamical reaction on solar activity from the stratosphere/mesosphere and to coupling processes in the stratosphere-mesosphere-lower thermosphere system. Since the amplitude of the quasi twoday wave is dependent on the zonal mean wind gradient, this is connected with a positive correlation between solar activity and quasi two-day wave activity.

Aus täglichen Analysen des sommerlichen zonalen Grundwindes im Mesopausenbereich, der am Observatorium Collm der Universität Leipzig gemessen wurde, werden niederfrequente Variationen im Zeitbereich planetarer Wellen (10 - 20 Tage) bestimmt. Obwohl die direkte Ausbreitung derartiger Wellen durch die stratosphärischen und mesosphärischen Ostwinde verhindert wird, werden in manchen Jahren trotzdem Oszillationen gemessen, die mit planetaren Wellen im Zusammenhang stehen können. Dies unterstützt die Theorie, daß sich planetare Wellen von der Winterhalbkugel entlang der Zonen schwachen Windes bis in die Mesopausenregion mittlerer und polarer Breiten ausbreiten. Betrachtet man die interanuelle Variabilität dieser Wellen, fällt eine Abhängigkeit von der äquatorialen quasi 2-jährigen Schwingung (QBO) auf, wobei während der Ostphase der QBO die Wellenaktivität gering ist, während sie in der Westphase der QBO stärker sein kann. Der Einfluß der QBO auf die sommerliche Wellenaktivität wird vom 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus moduliert, wobei während des solaren Maximums stärkere Aktivität zu verzeichnen ist. / From daily estimates of the summer mesopause region zonal prevailing wind measured at the Collm Observatory of the University of Leipzig long-term variations in the period range of planetary waves (10-20 days) are detected. Although the direct propagation of these waves from lower layers into the mesosphere is not possible because of the wave filtering in the summer stratospheric and mesospheric easterlies, in some years oscillations are found that can be connected with planetary waves, supporting the theory of the propagation of these waves from the equatorial region to the midlatitude and polar upper mesosphere along the zero wind line. The interannual variability of these waves shows a dependence on the equatorial quasi-biennial oscillation (QBO), so that in general during the east phase of the QBO the planetary wave activity is small, while during the QBO west phase it can be larger. The influence of the QBO on the planetary wave activity is modulated by the I I-year solar cycle, so that the strongest signal is found during solar maximum.

Neben der Abnahme des Schalldruckes bzw. der Schallintensität mit zunehmender Entfernung von einer Schallquelle (Kugelwellendivergenz) spielt bei der Schallausbreitung in der atmosphärischen Grenzschicht der Einfluss der höhenveränderlichen meteorologischen Größen, speziell der Temperatur und des Windvektors, auf die Geschwindigkeit und Richtung der Schallwellen eine entscheidende Rolle. Da in den bisherigen Richtlinien zur Erstellung von Lärmkatastern (über einen bestimmten Zeitraum gemittelte Schalldruckpegelverteilung in einem Gebiet) oder zur Messung der Schallimmission in der Umgebung von Schallquellen aktuelle meteorologische Informationen nicht einfließen, wird in dieser Studie untersucht, inwieweit ein entsprechend erweitertes Konzept bzw. Modell zu modifizierten Ergebnissen führt. Die Untersuchungen münden in ein Verfahren, das die Schallausbreitungsbedingungen an einem Ort für einen einzelnen Zeitpunkt bzw. während eines bestimmten Zeitraumes entsprechend der aktuellen thermischen Atmosphärenschichtung und den Vertikalprofilen von Windgeschwindigkeit und –richtung bestimmt. Die dafür benötigten Eingangsinformationen können durch Atmosphärenmodelle jederzeit und für beliebige Gitterpunkte bereitgestellt werden. / Except for the decrease of the acoustic pressure and the acoustic intensity with increasing distance between sound source and receiver (spherical divergence) the sound propagation and thereby the velocity and direction of sound waves inside the atmospheric boundary layer will be mainly influenced by the height-variable meteorological quantities, especially temperature and wind vector. Because actual meteorological information are ignored by the existing rules to create a noise register (averaged sound-pressure level distribution during a definite time interval and over a fixed region) or for the measurement of noise in the environment of sound sources, it will be investigated in this study whether an extended concept and model for the sound propagation will lead to modified results or not. The investigations lead to a technique which quantify the local conditions of sound propagation for one time or for a definite period corresponding to the vertical profiles of the air temperature as well as of wind speed and wind direction. The needed input data can be provided anytime and for any grid point by an atmospheric model.

To study especially the influence of a forest canopy on thermodynamic processes in the Atmospheric Boundary Layer (ABL) an one-dimensional model was developed for an ABL including forest as a vertically high resoluted canopy. In contrast to very expensive mesometeorological and LES (Large-Eddy Simulation)-models it is the aim of our study to construct practical simple applicable ABL-model-versions for a rather detailed non steady-state simulation of energy fluxes as well as of windvector, temperature-, humidity- and turbulence-parameter- profiles within and above a forest canopy. The obtained results show clearly that characteristic features of the meteorological fields as temperature are in a general agreement with observations (BEMA). Numerical experiments also describe the considerable influence of the closure approach used and the values for vegetation parameters on the simulation results. / Um den Einfluß eines Waldbestandes auf die thermodynamischen Prozesse in der Atmosphärischen Grenzschicht (AGS) zu untersuchen, wurde ein eindimensionales Modell für eine AGS mit einem Waldbestand als vertikal hoch aufgelöster Vegetationsschicht entwickelt. Im Gegensatz zu den sehr aufwendigen mesoskaligen und LES (Large-Eddy Simulation)-Modellen ist es Ziel dieser Untersuchung, praktisch leicht anwendbare Modellversionen der AGS für die detaillierte instationäre Simulation von Energieflüssen sowie des Windvektors, von Temperatur-, Feuchte- und Turbulenzparameterprofilen inner- und oberhalb des Waldbestandes zu konstruieren. Die erhaltenen Resultate zeigen deutlich, daß die charakteristischen Eigenschaften der meteorologischen Felder, z.B. Temperatur, in genereller Übereinstimmung mit Messungen (BEMA) sind. Die numerischen Experimente geben außerdem den bedeutenden Einfluß der verwendeten Schließungsannahme und der Werte für die Vegetationsparameter auf die Ergebnisse der Simulationen wieder.

Die Surface Renewal Analysis wurde zur Bestimmung sensibler Wärmeflußdichten im bodennahen Bereich der atmosphärischen Grenzschicht genutzt und mit der Eddy - Korrelations - Methode verglichen. Dazu wurden beide Berechnungsmethoden auf Temperatur - und Vertikalwinddaten angewandt, die unter Verwendung von Strukturfunktionen simuliert wurden. Zur Überprüfung der Resultate wurden über zwei verschiedenen Unterlagen (Wiese und Düne) hochfrequente Zeitreihen von Temperatur und Vertikalwind gemessen und mit der Surface Renewal Analysis und der Eddy - Korrelations - Methode analysiert. / The Surface Renewal Analysis was used to estimate the sensible heat flux density in the ground near area of the boundary layer. The results were compared with eddy correlation method. For it both methods were used to analyse temperature- and vertical velocity-data, which were simulated by the application of structure functions. Time series of high frequency temperature- and vertical velocity-data over two different canopies (meadow and dune) were measured to examine the results. The data were analysed with surface renewal analysis and eddy correlation.

To study especially the influence of a forest canopy on thermodynamic processes in the Atmospheric Boundary Layer (ABL) an one-dimensional model was developed for an ABL including forest as a vertically high resoluted canopy. In contrast to very expensive mesometeorological and LES (Large-Eddy Simulation)-models it is the aim of our study to construct practical simple applicable ABL-model-versions for a rather detailed non steady-state simulation of energy fluxes as well as of windvector, temperature-, humidity- and turbulence-parameter- profiles within and above a forest canopy. The obtained results show clearly that characteristic features of the meteorological fields as temperature are in a general agreement with observations (BEMA). Numerical experiments also describe the considerable influence of the closure approach used and the values for vegetation parameters on the simulation results. / Um den Einfluß eines Waldbestandes auf die thermodynamischen Prozesse in der Atmosphärischen Grenzschicht (AGS) zu untersuchen, wurde ein eindimensionales Modell für eine AGS mit einem Waldbestand als vertikal hoch aufgelöster Vegetationsschicht entwickelt. Im Gegensatz zu den sehr aufwendigen mesoskaligen und LES (Large-Eddy Simulation)-Modellen ist es Ziel dieser Untersuchung, praktisch leicht anwendbare Modellversionen der AGS für die detaillierte instationäre Simulation von Energieflüssen sowie des Windvektors, von Temperatur-, Feuchte- und Turbulenzparameterprofilen inner- und oberhalb des Waldbestandes zu konstruieren. Die erhaltenen Resultate zeigen deutlich, daß die charakteristischen Eigenschaften der meteorologischen Felder, z.B. Temperatur, in genereller Übereinstimmung mit Messungen (BEMA) sind. Die numerischen Experimente geben außerdem den bedeutenden Einfluß der verwendeten Schließungsannahme und der Werte für die Vegetationsparameter auf die Ergebnisse der Simulationen wieder.

Aus täglichen Analysen des sommerlichen zonalen Grundwindes im Mesopausenbereich, der am Observatorium Collm der Universität Leipzig gemessen wurde, werden niederfrequente Variationen im Zeitbereich planetarer Wellen (10 - 20 Tage) bestimmt. Obwohl die direkte Ausbreitung derartiger Wellen durch die stratosphärischen und mesosphärischen Ostwinde verhindert wird, werden in manchen Jahren trotzdem Oszillationen gemessen, die mit planetaren Wellen im Zusammenhang stehen können. Dies unterstützt die Theorie, daß sich planetare Wellen von der Winterhalbkugel entlang der Zonen schwachen Windes bis in die Mesopausenregion mittlerer und polarer Breiten ausbreiten. Betrachtet man die interanuelle Variabilität dieser Wellen, fällt eine Abhängigkeit von der äquatorialen quasi 2-jährigen Schwingung (QBO) auf, wobei während der Ostphase der QBO die Wellenaktivität gering ist, während sie in der Westphase der QBO stärker sein kann. Der Einfluß der QBO auf die sommerliche Wellenaktivität wird vom 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus moduliert, wobei während des solaren Maximums stärkere Aktivität zu verzeichnen ist. / From daily estimates of the summer mesopause region zonal prevailing wind measured at the Collm Observatory of the University of Leipzig long-term variations in the period range of planetary waves (10-20 days) are detected. Although the direct propagation of these waves from lower layers into the mesosphere is not possible because of the wave filtering in the summer stratospheric and mesospheric easterlies, in some years oscillations are found that can be connected with planetary waves, supporting the theory of the propagation of these waves from the equatorial region to the midlatitude and polar upper mesosphere along the zero wind line. The interannual variability of these waves shows a dependence on the equatorial quasi-biennial oscillation (QBO), so that in general during the east phase of the QBO the planetary wave activity is small, while during the QBO west phase it can be larger. The influence of the QBO on the planetary wave activity is modulated by the I I-year solar cycle, so that the strongest signal is found during solar maximum.

Neben der Abnahme des Schalldruckes bzw. der Schallintensität mit zunehmender Entfernung von einer Schallquelle (Kugelwellendivergenz) spielt bei der Schallausbreitung in der atmosphärischen Grenzschicht der Einfluss der höhenveränderlichen meteorologischen Größen, speziell der Temperatur und des Windvektors, auf die Geschwindigkeit und Richtung der Schallwellen eine entscheidende Rolle. Da in den bisherigen Richtlinien zur Erstellung von Lärmkatastern (über einen bestimmten Zeitraum gemittelte Schalldruckpegelverteilung in einem Gebiet) oder zur Messung der Schallimmission in der Umgebung von Schallquellen aktuelle meteorologische Informationen nicht einfließen, wird in dieser Studie untersucht, inwieweit ein entsprechend erweitertes Konzept bzw. Modell zu modifizierten Ergebnissen führt. Die Untersuchungen münden in ein Verfahren, das die Schallausbreitungsbedingungen an einem Ort für einen einzelnen Zeitpunkt bzw. während eines bestimmten Zeitraumes entsprechend der aktuellen thermischen Atmosphärenschichtung und den Vertikalprofilen von Windgeschwindigkeit und –richtung bestimmt. Die dafür benötigten Eingangsinformationen können durch Atmosphärenmodelle jederzeit und für beliebige Gitterpunkte bereitgestellt werden. / Except for the decrease of the acoustic pressure and the acoustic intensity with increasing distance between sound source and receiver (spherical divergence) the sound propagation and thereby the velocity and direction of sound waves inside the atmospheric boundary layer will be mainly influenced by the height-variable meteorological quantities, especially temperature and wind vector. Because actual meteorological information are ignored by the existing rules to create a noise register (averaged sound-pressure level distribution during a definite time interval and over a fixed region) or for the measurement of noise in the environment of sound sources, it will be investigated in this study whether an extended concept and model for the sound propagation will lead to modified results or not. The investigations lead to a technique which quantify the local conditions of sound propagation for one time or for a definite period corresponding to the vertical profiles of the air temperature as well as of wind speed and wind direction. The needed input data can be provided anytime and for any grid point by an atmospheric model.

Diese Arbeit stellt das neue Fesselballonsystem 'Balloon-bornE moduLar Utility for profilinG the lower Atmosphere' (BELUGA) vor, das für die Messung turbulenter Energie- und Strahlungsflüsse in der bewölkten arktischen atmosphärischen Grenzschicht entwickelt wurde. Mit dem Schwerpunkt auf Turbulenz werden der technische Aufbau und die drei Instrumentenpakete von BELUGA sowie Methoden zur Analyse von Turbulenzdaten beschrieben. BELUGA wurde während zweier Feldkampagnen in der Arktis eingesetzt, die auf dem arktischen Meereis im Juni 2017 und in Grönland im März/April 2018 stattfanden. Anhand zweier Fallstudien liefern die BELUGA-Messungen wertvolle Einblicke in die kleinskaligen turbulenten Prozesse und Strahlungsprozesse, die in der arktischen Grenzschicht wechselwirken. Eine erste Studie analysiert eine Inversion der spezifischen Luftfeuchte über einem beständigen Stratocumulus und die turbulente Kopplung zwischen diesen Regionen. Die Ergebnisse zeigen, dass ein turbulenter Austausch von Wärme und Feuchtigkeit zwischen der Feuchteinversion und der Wolke durch die stabile Inversionsschicht hindurch möglich ist, wenn sich die Feuchteinversion direkt über der Wolkendecke befindet. Die Bereitstellung von Feuchtigkeit durch turbulenten Transport trägt wahrscheinlich zur Langlebigkeit der arktischen Wolken bei. Die zweite Studie befasst sich mit einem Grenzschichtstrahlstrom, d.h. einem lokalen Windmaximum in niedriger Höhe, der in der spätwinterlichen stabilen arktischen Grenzschicht beobachtet wurde. Der Grenzschichtstrahlstrom zeigt eine charakteristische Vertikalstruktur von Turbulenzparametern wie lokalen Dissipationsraten, die direkt ober- und unterhalb des Windmaximums erhöht sind. Daraus folgt, dass das Vorhandensein eines Grenzschichtstrahlstromes die vertikale Durchmischung in der stabilen Grenzschicht unterstützt, was sich auf die vertikale Verteilung von advehierter Feuchtigkeit, Aerosolpartikeln und anderen Substanzen auswirken kann. Beide Fallstudien unterstreichen die Bedeutung der kleinskaligen Turbulenz für die Entwicklung der Grenzschicht in einer stabilen thermodynamischen Schichtung. Damit tragen die BELUGA-Messungen zu einem besseren Prozessverständnis in einer sich verstärkt erwärmenden Arktis mit vielfältigen Rückkopplungsprozessen bei. / This thesis introduces the new tethered balloon system Balloon-bornE moduLar Utility for profilinG the lower Atmosphere (BELUGA) that has been developed for collocated measurements of turbulent and radiative energy fluxes in the cloudy Arctic atmospheric boundary layer (ABL). With a focus on turbulence, the technical setup and the three instrument packages of BELUGA are presented together with turbulence data analysis methods. BELUGA was deployed during two field campaigns in the Arctic, which took place on Arctic sea ice in June 2017 and in Greenland in March/April 2018. By means of two case studies, the BELUGA measurements provide valuable insights into the small-scale turbulent and radiative processes interacting in the Arctic ABL. A first study analyzes a specific humidity inversion (SHI) above a persistent stratocumulus and the turbulent coupling between these regions. The results show that turbulent exchange of heat and moisture between the SHI and the cloud is possible through the stable inversion layer, when the SHI is located directly above the cloud top. Providing moisture via turbulent transport probably contributes to the persistence of Arctic clouds. The second study addresses a low-level jet (LLJ) observed in the late-winter stable Arctic ABL. The LLJ is associated with a characteristic vertical structure of turbulence parameters such as local dissipation rates, with enhanced intensity just above and below the jet core. It is concluded that the presence of a LLJ promotes vertical mixing in the stable ABL, which can impact the vertical distribution of advected moisture, aerosol particles, and other substances. Both case studies highlight the importance of small-scale turbulence for shaping the ABL under conditions of stable thermodynamic stratification. Thus, the BELUGA measurements contribute to an improved understanding of interacting atmospheric processes in Arctic amplification.