A steady-state barotropic model, linearized about a GCM-derived 500 hPa basic state, is driven by a sample of \"observed\" forcing fields. lt tums out that the leading mode (LEOF) obtained from the sample of linear solutions matches weil with the leading EOF of low-frequency atmospheric variability actually occurring in the GCM. The response ofthe linear model is analysed in tenns of the singular modes of the model\'s linear operator. lt is found that about 50 percent ofthe spatial variance of the LEOF can be explained in tenns of the leading two singular modes. This finding is reflected also in the linear barotropic energy balance of the LEOF which shows that the mode is maintained through nearly equal contributions from i) the kinetic energy conversion of basic state kinetic energy (which is primarily due to the action of the singular modes) and ii) the forcing. The linear simulation of the GCM EOF fails if the linear model is linearized about a 300 hPa basic. This is explained by the fact that in this case the structure of the leading singular modes, which have a strong impact on the linear response, is much more dissimilar to the structure of the GCM EOF than in the 500 hPa case. / Ein stationäres barotropes Modell, das bezüglich eines (aus einem GCM Experiment abgeleiteten) 500 hPa Grundzustandes linearisiert ist, wird für einen Satz von "beobachteten" Antriebsfeldern gelöst. Dabei zeigt sich, daß die führende Mode der langperiodischen atmosphärischen Variabilität (EOF) im GCM Experiment durch das lineare Modell sehr gut simuliert wird. Weiterhin stellt sich heraus, daß hierfür die Antriebsfelder und die singulären Moden des linearen Modelloperators die gleiche Bedeutung besitzen. Auf die Wichtigkeit der Anwendung des Modells bezüglich des äquivalentbarotropen Niveaus wird hingewiesen.

Der Einfluß der Turbulenzstruktur rotierender Aufwinde auf die räumliche Schadstoff verteilung in der konvektiven atmosphärischen Grenzschicht über Land wurde untersucht. Für die Simulation der Aufwinde wurde ein dreidimensionales nicht-hydrostatisches Gitterpunktsmodell verwendet. Die Simulationsergebnisse, die mit verschiedenen Turbulenzparametrisierungen erzielt wurden, zeigen, daß organisierte subskalige Turbulenz zu Änderungen der skaligen Schadstoffverteilungen führen kann. Die Energie- und Helizitätsflüsse zwischen skaligem und subskaligem Regime bei der jeweiligen Turbulenzparametrisierung werden verglichen und die Konsequenzen für die Naßphasenchemie werden diskutiert. / The influence of the turbulence structure of rotating thermals on the spatial pollutant distributions in the convective boundary layer over land was examined. For the simulation of thermals, a threedimensional non-hydrostatic grid point model was used. Simulation results found with different turbulence parametrisations indicate that organized subgrid scale turbulence may lead to alterations of the resolved pollutant distributions. Energy and helicity fluxes between the resolved and subgridscale regime of each turbulence parametrization are compared and the consequences on wet phase chemistry are discussed.

In the SANA project (Scientific Attandance Program for the Rehabilitation of the Atmospheric Environment in the German New Federal Lands) different kinds of turbidity measurements are used to characterize the change of the turbidity state of the atmospheric boundary layer produced by atmospheric aerosols within the time span between 1990 and 1995. For this characterization the following turbidity measurements are used: 1.) continuous measurements of the humidity corrected aerosol extinction coefficient obtained with a He-Ne-Lasertransmission path (length: 810 m, wavelength: 0.633 μm) within the urban boundary layer ofLeipzig, 2.) direct measurements ofthe particilate matter (PM10) concentration, 3.) combined measurements of spectral aerosol optical thickness (within the spectral range of0.35 - 1.1 μm) and sky brightness in the solar almucantar plane for cloud free situations, 4.) integrated radiation flux density measurement (Globalradiation). In all measurements a decrease of the atmospheric aerosol turbidity could be stated in the time span of 1990/91 to 1995: for the extinction coefficient and the particulate matter within the boundary layer of approximately 60 %, the turbidity coefficient derived from the spectral aerosol optical thickness ( corrected for the influence of the stratospheric volcanic aerosol by the Pinatobo) give a reduction of 57 %. The combined measurements of spectral aerosol optical thickness and the sky brightness are used for the determination of the main climate-relevant aerosol parameters: aerosol phase function, asymmetry parameter, columnar aerosol size distribution and apparent columnar refractive index. The largest change in the columnar aerosol size distribution could be stated in the size range of 0.2 - 0.8 μm (radius), also a reduction of approximately 60 %. Together with the measurements of the downwelling flux density an estimation of the aerosol absorption in kind of the imaginary part of the refractive index is made. The imaginary part is reduced in the same way: 1991: k = 0.021, 1994 and 1995 k = 0.008. A first estimation of the anthropogenic shortwave radiative forcing produced by the old East German air pollution of the on the basis of these data gives a change in the shortwave radiative balance of approximately -8 W/m2. / Im Rahmen des SANA Projekts (Wissenschaftliches Begleitprogramm zur Sanierung der Atmosphärenumwelt) wurden verschiedene Trübungsmessungen verwendet, um die Veränderungen im Trübungszustand in der atmosphärischen Grundschicht, hervorgerufen durch Aerosole, im Zeitraum von 1990 bis 1995 charakterisieren zu können. Dazu wurden folgende Trübungsmessungen verwendet: 1.) kontinuierliche Messungen des feuchtekorrigierten Aerosolextinktionskoeffi.zienten mit Hilfe einer Laser- Transmissionsstrecke (Länge 810 m, He-Ne-Laser Wellenlänge: 0.633 μm) in der urbanen Grundschicht von Leipzig, 2.) direkte Messungen der Schwebstaubkonzentration, 3.) kombinierte Messungen von spektraler optischer Dicke des Aerosols (im Spektralbereich von 0.35 - 1.1 μm) und Himmelshelligkeitsfunktion im Almukantar unter wolkenfreien Bedingungen, 4.) integrale Strahlungsflußdichtemessungen (Globalstrahlung). In allen Messungen konnte im Zeitraum 1990/91 bis 1995 eine Abnahme der Aerosoltrübung festgestellt werden: Für den Extinktionskoeffi.zienten und die Schwebstaubkonzentration in der urbanen Grundschicht ungefähr 60 %, für den aus den spektralen optischen Dicken des Aerosols abgeleiteten Trübungskoeffizienten (korrigiert um den Beitrag des stratosphärischen Vulkanaerosols des Pinatubo) 57 %. Die kombinierten Messungen von spektraler optischer Dicke des Aerosols und der Himmelshelligkeitsfunktion dienten der Bestimmung der wesentlichen klimarelevanten Aerosolparameter: Aerosolphasenfunktion, Asymmetrieparameter, columnarer Aerosolgrößenverteilung und columnarer Brechungsindex des Aerosols. Die größte Änderung in der columnaren Aerosolgrößenverteilung ist im Radienbereich 0.2 - 0.8 μm festgestellt worden, ebenfalls eine Reduktion von ungefährt 60 %. Zusammen mit den Messungen der abwärtsgerichteten Strahlungsflußdichte wurde eine Abschätzung der Aerosolabsorption in Form des Imaginärteils des Brechungindex vorgenommen. Der Imaginärteil verringert sich in gleicher Weise: 1991: k = 0. 021, 1994 und 1995: k = 0. 008. Auf der Grundlage dieser Daten konnte der anthropogene Anteils des kurzwelligen Strahlungsforcings, das durch die Luftverunreinigung unter den alten Ostdeutschen Bedingungen hervorgerufen wird, mit ungefähr -8 W/m2 Änderung in der kurzwelligen Strahlungsbilanz abgeschätzt werden.

Results from the subproject "Dry Deposition" of the national research project entitled SANA (Scientific Attandance Program of the Rehabilitation of the Atmosphere in the New Federal Lands) are presented. After the political unification of Germany a change in the air quality in the region of the conurbation of Leipzig habe been observed as consequence of changes in the energy politics, economic structural reorganisation and the environmental legislative. The concentrations of the trace gases S02, Ozone and NOx (NO and N02) were measured over a period of more than three years (May 1992 to December 1995). For the measurements the micrometeorological gradient technique was applied to calculate the trace gas fluxes of S02 and 03. The instrumentation of the research station near Melpitz - downwind of the conurbation of Leipzig - , the calculation of dry deposition and the meteorological situation for this time consist of S02 and 03, the temperature, global radiation, and wind velocity are described. Typical monthly impacts for S02 and Ozone were found in the range between 2-5 and 2-3 kg/(ha*month) for winter time and between 0.2-0.6 and 3-10 kg/(ha*month), respectively, for summer time, respectivily. The ratio of dry deposition to total S-impact was 0.5 with a large variation from month to month. / Ergebnisse aus dem Teilprojekt "Trockene Deposition" des nationalen Verbundforschungsvorhabens SANA (Wissenschaftliches Begleitprogramm zur SAMerung der Atmosphäre über den neuen Bundesländern) werden vorgestellt. In der Zeit nach der politischen Einigung Deutschlands konnte eine Veränderung der Luftqualität im Ballungsraum Leipzig als Folge der neuen Energiepolitik, einer ökonomischen Neustrukturierung und des Wirksamwerdens einer neuen Umweltgesetzgebung festgestellt werden. Die Konzentration der Spurengase S02, Ozon und NOx (NO und N02) wurde über mehr als drei Jahre gemessen. Die Berechnung des trockenen Eintrages von S02 und Ozon erfolgte unter Anwendung der mikrometeorologischen Gradiententechnik. Der Aufbau der Forschungsstation im Lee des Ballungsraumes Leipzig, die Berechnung der trockenen Deposition für S02 und 03 und die meteorologische Situation am Beispiel der Temperatur, der Globalstrahlung und der Windgeschwindigkeit für diesen Zeitraum werden beschrieben. Typische monatliche Einträge für S02 und Ozon wurden im Bereich von 2 -5 und 2-3 kg/(ha*Monat) einerseits im Winter und 0,2-0,6 bzw. 3-10 kg/(ha*Monat) andererseits im Sommer ermittelt. Der mittlere Anteil der trockenen Deposition für S am Gesamtschwefeleintrag konnte zu etwa 50 % festgestellt werden, wobei sehr große Unterschiede von Monat zu Monat auftraten.

Statistical cloud schemes with prognostic probability distribution functions have become more important in atmospheric modeling, especially since they are in principle scale adaptive and capture cloud physics in more detail. While in theory the schemes have a great potential, their accuracy is still questionable. High-resolution three-dimensional observational data of water vapor and cloud water, which could be used for testing them, are missing. We explore the potential of ground-based remote sensing such as lidar, microwave, and radar to evaluate prognostic distribution moments using the “perfect model approach.” This means that we employ a high-resolution weather model as virtual reality and retrieve full three-dimensional atmospheric quantities and virtual ground-based observations. We then use statistics from the virtual observation to validate the modeled 3-D statistics. Since the data are entirely consistent, any discrepancy occurring is due to the method. Focusing on total water mixing ratio, we find that the mean ratio can be evaluated decently but that it strongly depends on the meteorological conditions as to whether the variance and skewness are reliable. Using some simple schematic description of different synoptic conditions, we show how statistics obtained from point or line measurements can be poor at representing the full three-dimensional distribution of water in the atmosphere. We argue that a careful analysis of measurement data and detailed knowledge of the meteorological situation is necessary to judge whether we can use the data for an evaluation of higher moments of the humidity distribution used by a statistical cloud scheme.

The main uncertainty in anthropogenic forcing of the Earth’s climate stems from pollution aerosols, particularly their ‘‘indirect effect’’ whereby aerosols modify cloud properties. We develop a new methodology to derive a measurement-based estimate using almost exclusively information from an Earth radiation budget instrument (CERES) and a radiometer (MODIS). We derive a statistical relationship between planetary albedo and cloud properties, and, further, between the cloud properties and column aerosol concentration. Combining these relationships with a data set of satellite-derived anthropogenic aerosol fraction, we estimate an anthropogenic radiative forcing of -0.9 ± 0.4 Wm-2 for the aerosol direct effect and of -0.2 ± 0.1 Wm-2 for the cloud albedo effect. Because of uncertainties in both satellite data and the method, the uncertainty of this result is likely larger than the values given here which correspond only to the quantifiable error estimates. The results nevertheless indicate that current global climate models may overestimate the cloud albedo effect.

The distribution of model-based estimates of equilibrium climate sensitivity has not changed substantially in more than 30 years. Efforts to narrow this distribution by weighting projections according to measures of model fidelity have so far failed, largely because climate sensitivity is independent of current measures of skill in current ensembles of models. This work presents a cautionary example showing that measures of model fidelity that are effective at narrowing the distribution of future projections (because they are systematically related to climate sensitivity in an ensemble of models) may be poor measures of the likelihood that a model will provide an accurate estimate of climate sensitivity (and thus degrade distributions of projections if they are used as weights). Furthermore, it appears unlikely that statistical tests alone can identify robust measures of likelihood. The conclusions are drawn from two ensembles: one obtained by perturbing parameters in a single climate model and a second containing the majority of the world’s climate models. The simple ensemble reproduces many aspects of the multimodel ensemble, including the distributions of skill in reproducing the present-day climatology of clouds and radiation, the distribution of climate sensitivity, and the dependence of climate sensitivity on certain cloud regimes. Weighting by error measures targeted on those regimes permits the development of tighter relationships between climate sensitivity and model error and, hence, narrower distributions of climate sensitivity in the simple ensemble. These relationships, however, do not carry into the multimodel ensemble. This suggests that model weighting based on statistical relationships alone is unfounded and perhaps that climate model errors are still large enough that model weighting is not sensible.

COMMA-LIM (Cologne Model of the Middle Atmosphere - Leipzig Institute for Meteorology) ist ein 3D-mechanistisches Gitterpuktsmodell, welches sich von ca. 0 bis 135 km in logarhitmischen Druckkordinaten z = -H ln(p=p0) erstreckt, wobei H=7 km und p0 den Referenzdruck am unteren Rand bezeichnet. Die vertikale Auflösung von COMMA-LIM wurde auf 48 Schichten erhöht. Zugleich wurde die Beschreibung des Strahlungsprozesses verbessert, zusammen mit den Beiträgen zur Temperaturbilanz durch atmosphärische Wellen und Turbulenz. Weitere Veränderungen betreffen die numerische Realisation der horizontalen Diffusion und des Filterproblems. Die Beschreibung ist unterteilt in den dynamischen Teil und die Strahlungsbeträge. Die jahreszeitlichen Klimatologien werden vorgestellt und diskutiert. / COMMA-LIM (Cologne Model of the Middle Atmosphere - Leipzig Institute for Meteorology) is a 3D-mechanistic gridpoint model extending up from 0 to 135 km with a logharithmic vertical coordinate z = -H ln(p=p0), where H=7 km and p0 is the reference pressure at lower boundary. The resolution of the 24 layer version has been increased to 48 layers and several improvements are made in the parameterisation of radiative processes, heating/cooling due to atmospheric waves and turbulence, as well as in the numerical realization of the horizontal diffusion and filtering. This description is divided into the section describing the changes in the dynamical part and the modifications in radiation routines. After all, the seasonal climatologies will be shown and discussed to demonstrate what the COMMA-LIM is capable of reproducing.

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.

A mesoscale non-hydrostatic atmospheric model was extended by including both a chemical transport module (CTM) for the chemical triade NO, N02, and 0 3, and an explicit surface-subgrid module (ESSM) for a subscale resolution of the topographical surface. CTEM: The simulated time-dependent concentration fields result from the following processes involved: anthropogenic emission at different heights, biogenic emission, dry deposition on the receptive surface, chemical reactions, turbulent diffusion, and passive transport according to the model dynamics. The calculations in the lowest model layer, usually treated as a constant-flux layer, are now performed on a vertical subgrid that was inserted to better resolve the often observed high concentration gradients within the surface layer. ESSM: Moreover, an equidistant horizontal-subgrid is introduced for finer resolving the topography. The surface fluxes of momentum, sensible and latent heat, long-wave radiation, soil heat flux and wetness as well as the surf ace-energy balance are calculated in the usual approximations, however, employing the individual surface and soil properties of the subgrid cells. The averaged subgrid quantities serve as boundary values required for the model-grid calculations. Within the CTM the ESSM method leads to an intersection of the horizontal ESSM subgrid and the vertical CTM subgrid. Preliminary results representing an interim realization state of the ESSM demonstrate partially strong changes of the dry deposition rates caused by subgrid-resolved surface properties. / Ein mesoskaliges nicht-hydrostatisches Atmosphärenmodell ist um ein Chemie-TransportModul (CTM) zur Berücksichtigung der Triaden-Komponenten NO, N02 und 03 sowie um ein Verfahren zur verfeinerten Auflösung der topographischen Unterlage (explicit surface-subgrid modul ESSM) erweitert worden. CTM: Die simulierten zeitabhängigen Konzentrationsfelder sind das Resultat folgender modellierter Prozesse: Anthropogene Emission in verschiedenen Höhenschichten, biogene Emission, trockene Deposition (Rezeption), die speziellen chemischen Umwandlungen, turbulente Diffusion und passiver Transport. Da der Schwerpunkt der Prozesse und die höchsten Konzentrationsgradienten innerhalb der bodennahen ersten Modellschicht vorliegen, werden die Berechnungen in dieser Schicht auf einem verfeinerten vertikalen Untergitter durchgeführt. ESSM: Unabhängig von den Eigenheiten des CTM wird für alle untergrundbezogenen meteorologischen Größen ein regelmäßiges horizontales Untergitter zwecks Berücksichtigung des subskalig aufgelösten topographischen Untergrundes eingeführt. Auf diesem Untergitter werden in den bisherigen Näherungen alle Oberflächenflüsse für Impuls, fühlbare und latente Wärme, langwellige Strahlung, der Bodenwärmefluß, die Bodenfeuchte sowie die Energiebilanz am Boden berechnet. Die über die Untergitterzellen gemittelten Werte dienen den weiteren Berechnungen im normalen Modellgitter als die erforderlichen Randwerte. Innerhalb des CTM führt die ESSM-Methode zu einer Überlagerung des vertikalen CTM-Untergitters mit dem horizontalen Untergitter des ESSM. Erste Simulationsergebnisse, die dem derzeitigen Stand in der Realisierung des ESSM entsprechen, erbringen teilweise stark veränderte Depositionsraten infolge der Berücksichtigung der horizontal feiner aufgelösten Topographie.