Jahresbericht

The possibility of using terrestrial television (TV) broadcast signals (TVBS) as sounding signals for mesosphere-lower thermosphere (MLT) wind measurements by the radio meteor method is investigated. Such approach allows to use external TV transmitters as sounding signal sources and consequently to reduce costs of measurements. It is shown that meteor trails in the area above the receiver should be selected to eliminate MLT wind measurement ambiguity. Results of experimental observations are presented. Validation of the results has been performed using datasets from the Thermosphere-Ionosphere- Mesosphere Energetics and Dynamics (TIMED) satellite and a SKiYMET meteor radar (Collm Observatory, Germany). It is shown that the obtained experimental results and TIMED mean winds are correlated with a correlation coefficient of 0.58 (significance level 0.95 according to a t-test). The measurements show for the first time that terrestrial television broadcast signals can be used for MLT wind measurements and that the developed technique may be used for MLT wind monitoring on the base of the existing terrestrial TV broadcasting network.

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.

Global Positioning System radio occultation measurements by the FORMOsa SATellite mission-3/Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate satellites were used to analyse the behaviour of the signature of the terdiurnal tide in sporadic E (ES) layers at midlatitudes (43°N – 63°N). According to theory, the occurrence of ES is expected when the vertical zonal wind shear, which is mainly owing to solar tides, is negative. 4-year means, based on 3-monthly running mean zonal means from December 2006 - November 2010, were constructed for the terdiurnal oscillation in the occurrence frequency of ES. Comparison of the results with VHF meteor radar observations of the terdiurnal tide and the 8-hr oscillation in the vertical zonal wind shear at Collm, Germany (51.3°N, 13°E) shows a clear correspondence between the 8-hr Es and wind shear signature. / Radiookultationsmessungen auf der Basis von GPS-Messungen der FORMOsa SATellite mission-3/Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate-Satelliten wurden verwendet, um die Signatur der 8-stündigen Gezeiten in den Auftrittsraten von sporadischen E (Es)-Schichten zu analysieren. Nach der allgemein anerkannten Windscherungstheorie treten Es-Schichten im Bereich negativer vertikaler Windscherung auf, welche in der unteren Thermosphäre hauptsächlich durch solare Gezeiten hervorgerufen werden. Speziell werden hier 4-jährige Mittelwerte saisonal gemittelter Auftrittsraten untersucht um die 8-stündige Signatur zu finden. Ein Vergleich mit Radarmessungen des Windes über Collm zeigt, dass die saisonale und tägliche Variabilität der 8-stündigen Komponente der Es-Raten sehr gut mit derjenigen der gemessenen Windscherung übereinstimmt.

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

An imaging spectrometer (AisaEAGLE) is applied for ground-based measurements of downward spectral radiance fields with high spatial (1024 spatial pixels within 36.7° field of view), spectral (488 spectral pixels, 400-970 nm, 1.25 nm full width at half maximum) and temporal (4-30 Hz) resolution. The calibration, measurement, and data evaluation procedures are introduced. A method is presented that retrieves the cirrus optical thickness tci using the spectral radiance data collected by AisaEAGLE. On the basis of four measurement cases during the second campaign of the Cloud Aerosol Radiation and tuRbulence of trade wInd cumuli over BArbados (CARRIBA) project in 2011 the spatial inhomogeneity of the investigated cirrus is characterized by the standard deviation of the retrieved tci, as well as the width of the frequency distribution of the retrieved tci. By comparing measured and simulated downward solar radiances as a function of scattering angle, a first estimation of the detected cirrus ice crystal shape is given and used in the retrieval of tci. / Ein abbildendes Spektrometer (AisaEAGLE) wurde bodengebunden zur Messung von Feldern abwärts gerichteter spektraler Strahldichten mit hoher räumlicher (1024 Raumpixel auf 36.7° FOV), spektraler (488 spektrale Pixel, 400-970 nm, 1.25 nm FWHM) und zeitlicher (4-30 Hz) Auflösung verwendet. Die Kalibrierungsprozedur, das Messverfahren sowie die Datenauswertung werden hier vorgestellt. Weiter wird eine Methode zur Ableitung der Zirrus optischen Dicke tci unter Verwendung dieser bodengebundenen spektralen Strahldichtedaten vorgestellt. Auf der Grundlage von vier Messzeiträumen während der zweiten Kampagne des Cloud Aerosol Radiation and tuRbulence of trade wInd cumuli over BArbados (CARRIBA) Projektes in 2011 wird die räumliche Inhomogenität der untersuchten Zirren durch die Standardabweichung der abgeleiteten tci, wie auch der Breite ihrer Häufigkeitsverteilungen charakterisiert. Vergleiche der gemessenen Strahldichten mit Simulationen abwärts gerichteter solarer Strahldichten als Funktion der Streuwinkel ermöglichen eine erste Abschätzung der Eiskristallform im detektierten Zirrus und gehen in die Ableitung der tci ein.

Previously used standardized calculation methods for sound propagation contain the influence of meteorological parameters just in a very simplified way. But the propagation of acoustic signals over a distance of several kilometers is essentially dependent on the distribution of temperature and wind. The sound level attenuation maps shown in this work have been calculated with the use of the sound ray model SMART (Sound propagation Model of the Atmosphere using Ray-Tracing). They demonstrate the meteorological influence on the sound attenuation in a distance of up to 15 km from the sound source. SMART takes the current or the predicted state of the atmosphere into account to depict the distribution of sound attenuation near the ground surface. Therefore it is an instrument which is able to estimate sound immission for a current or future moment (sound weather). Applied to meteorological data of longer time periods typical mean sound immissions for individual regions can be derived, which is referred as sound climate. On the one hand these attenuation maps firstly clarify the difference between these two terms. On the other hand they show the dependence of sound propagation on atmospheric conditions on several timescales. Radiosonde data from the years 1990 – 2009 were used for this analysis. A second part of this study deals with the question whether observational data (radiosonde) can be replaced by model data (COSMO-EU). For this purpose data of the station of Bergen was used for the year 2009. / Bisher verwendete standardisierte Berechnungsverfahren für die Schallausbreitung beinhalten meteorologische Einflüsse nur in stark vereinfachter Weise. Die Ausbreitung akustischer Signale über mehrere Kilometer Entfernung hängt jedoch wesentlich von der Temperatur- und Windverteilung im Gebiet des Emissionsortes ab. In der Umgebung einer Schallquelle bis hin zu einer Entfernung von 15 km wird in dieser Studie der meteorologische Einfluss auf Schallpegeldämpfungskarten dargestellt, die mit Hilfe des Schallstrahlenmodells SMART (Sound propagation Model of the Atmosphere using Ray-Tracing) berechnet wurden. Das Modell SMART bezieht dabei die beobachteten bzw. prognostizierten meteorologischen Verhältnisse in die Darstellung der bodennahen Schalldämpfungsverteilung ein. Es ist damit ein Instrument für die Abschätzung der Schallimmission zu einem aktuellen oder zukünftigen Zeitpunkt (Schallwetter). Angewendet auf meteorologische Daten aus längeren Zeitabschnitten sind mittlere, für einzelne Regionen typische Schallimmissionsaussagen ableitbar, was hier als Schallklima bezeichnet wird. Diese Dämpfungskarten sollen zum einen den Unterschied dieser beiden Begriffe verdeutlichen, auf der anderen Seite aber auch die Abhängigkeit beider Zeitrahmen von der Meteorologie aufzeigen. In die Auswertungen gehen Radiosondenbeobachtungen aus den Jahren 1990 – 2009 ein. Ein zweiter Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Frage der Ersetzbarkeit von Beobachtungsdaten (Radiosonde) durch Modelldaten (COSMO-EU). Diese Analyse erfolgt beispielhaft für die Station Bergen für das Jahr 2009.

Mesosphere/lower thermosphere (MLT) winds over Germany as measured with a lowfrequency spaced receiver system at Collm 1984-2007 have been analysed with respect to variations at the time scales of gravity waves. Background winds are also registered to analyse gravity-mean flow interactions at decadal and interdecadal time scales. In both winter and summer an increasing mesospheric zonal wind jet with time is registered, which is connected with increasing gravity wave variances. At greater altitudes in summer, the mean wind jet trend reverses, and negative trends of gravity wave variances are found. This connection between gravity waves and mean wind is also observed on a quasi-decadal scale: during solar maximum stronger mesospheric zonal wind jets as well as larger gravity wave amplitudes are observed. This results in a solar cycle modulation of gravity waves with larger amplitudes during solar maximum. The connection between gravity waves and mean zonal wind may be explained by wave filtering within linear wave theory, such that stronger mesospheric zonal winds are connected with larger gravity wave amplitudes.

An updated version of the EUV-TEC proxy, describing the total primary ionisation of the upper atmosphere, is calculated from satellite-borne EUV measurements. Regional number densities of the background model atmosphere consisting of four major constituents are taken from the NRLMSISE-00 climatology. Furthermore, a first estimate of a global thermospheric heating rate is calculated from the absorbed energy. For the calculations the Lambert-Beer law is used to describe the decrease of the radiation along their way through the atmosphere. The EUV-TEC proxy is compared against the global mean total electron content (TEC), obtained from vertical TEC maps derived from GPS data. Strong correlations between these indices are found on different time scales. Results show that the EUV-TEC proxy describes the ionospheric variability better than the conventional solar index F10.7, especially at short time scales of days to weeks.

Granger (1980) found that the aggregation of m short-memory AR(1) processes yields a long-memory process. Thereby he assumed m -> ∞, Gaussian shape and betadistributed AR(1) parameters over (0; 1). To test hypotheses that long memory in climate time series comes from aggregation, the finding of Granger (1980) cannot be directly applied. First, the number of \'microclimatic\' processes to be aggregated is finite. Second, climatic processes often produce right-skewed data. Third, the AR(1) parameters of the microclimatic processes could be restricted to a narrower interval than (0; 1). We therefore perform Monte Carlo simulations to study aggregation in climate time series under realistic conditions. The long-memory parameter, H, is estimated by fitting an ARFIMA model to various types of aggregations. Our results are as follows. First, for m above a few hundred, H approaches saturation. Second, the distributional shape has little influence, as noted by Granger (1980). Third, the upper limit of the interval for the AR(1) parameter has a strong influence on the saturation value of H, as noted by Granger (1980). / Granger (1980) fand heraus, dass die Summe von m schwach seriell abhängigen AR(1)-Prozessen einen stark seriell abhängigen Prozess ergibt. Er nahm dabei an, dass m -> ∞ geht, die Verteilungen Gaußsch sind und die AR(1)-Parameter beta-verteilt über (0; 1) sind. Um die Hypothese zu testen, daß starke serielle Abhängigkeit in Klimazeitreihen von dieser \'Aggregation\' rührt, kann das Ergebnis von Granger (1980) jedoch nicht direkt angewendet werden. Erstens: die Anzahl \'mikroklimatischer\', zu summierender Prozesse is endlich. Zweitens: Klimaprozesse erzeugen oft rechtsschief verteilte Daten. Drittens: die AR(1)-Parameter der mikroklimatischen Prozesse mögen auf ein engeres Intervall begrenzt sein als (0; 1). Wir f¨uhren deshalb Monte-Carlo-Simulationen durch, um die Aggregation in Klimazeitreihen für realistische Bedingungen zu studieren. Der Parameter H, der die starke serielle Abhängigkeit beschreibt, wird geschätzt durch die Anpassung eines ARFIMA-Modelles an unterschiedliche Aggregations-Typen. Unsere Ergebnisse sind wie folgt. Erstens: für m oberhalb einiger hundert erreicht H S¨attigung. Zweitens: die Verteilungsform hat geringen Einfluß, wie von Granger (1980) bemerkt. Drittens: die obere Grenze des Intervalles für den AR(1)-Parameter hat einen starken Einfluß auf den Sättigungwert von H, wie von Granger (1980) bemerkt.