Earth system modeling, climate modeling, water resource research as well as integrated modeling (e.g., climate impact studies) require the coupling of hydrological and meteorological models. The paper presents recent concepts on such a coupling. It points out the difficulties to be solved, and provides a brief overview on recently realized couplings. Furthermore, a concept of a hydrometeorological module to couple hydrological and meteorological models is introduced. / Wasserresourcenforschung, Erdsystem- und Klimamodellierung sowie integrierte Modellierung (z.B. Klimafolgenforschung) erfordern das Koppeln von hydrologischen und meteorologischen Modellen. Dieser Artikel präsentiert Konzepte für eine solche Kopplung. Er zeigt die zu lösenden Schwierigkeiten auf und gibt einen kurzen Überblick über bisher realisierte Kopplungen. Ferner stellt er ein Konzept für einen hydrometeorologischen Moduls zur Kopplung von hydrologischen mit meteorologischen Modellen vor.

Mesopause region horizontal winds have been measured over Collm during winter 2000/2001 to investigate the response of the mesosphere/lower thermosphere region to a major stratwarm. The stratospheric warming resulted in a reversal of both the zonal and meridional wind. In the zonal component, this reversal was due to a planetary oscillation with period 10 days, which was even more pronounced in the vertical gradients, so that the stratwarm effect on the mesopause was owing to the superposition of an intensifying planetary wave (PW) and a slow overall decrease of the zonal prevailing winds. An effect of the stratospheric warming on the semidiurnal tide is also visible, namely by a decrease of the tidal amplitudes and rapid phase shifts in the order of 2 – 3 hours to later values. / Um die Auswirkungen von raschen Stratosphärenerwärmungen (Stratwarm) auf das Windfeld der Mesopausenregion zu untersuchen, wurden Messdaten des Horizontalwindes über Collm in den Monaten Januar und Februar 2001 untersucht, in denen eine große Stratosphärenerwärmung auftrat. Der Stratwarm zeigte sich im Windfeld in einer Höhe durch einen Rückgang des zonalen Grundwindes, sowie durch besonders starken Nordwind. Im Zonalwind zeigte sich eine deutliche Welle mit 10-tägiger Periode, die vermutlich den Stratwarm auslöste. Das hatte zur Folge, dass das Windfeld der Mesopausenregion während Stratwarm durch eine planetare Welle, sowie einen überlagerten Rückgang des Vertikalwindgradienten zusammengesetzt war. Ein Effekt des Stratwarm auf die halbtägigen Gezeiten war ebenfalls zu erkennen; die Gezeitenamplituden sind während der Stratosphärenerwärmung reduziert und die Phase liegt in einem kurzen Zeitraum um 2 – 3 Stunden später.

The uncertainty of predicted fluxes, variables of state, cloud- and precipitation formation to the choice of plant- and soil parameters, soil type, subgrid-scale heterogeneity and inhomogeneity is examined by results of simulations wherein one parameter is alternatively changed for all grid cells of the domain within its natural range of variability. A higher sensitivity of evapotranspiration to evaporative conductivity, roughness length, and subgridscale heterogeneity or inhomogeneity is found than for the other parameters examined. Except for wind velocity, the quantities of liquid and solid water substances the uncertainty is lower at night and early afternoon than at other times. Therefore, evaluation of meteorological models should be performed at those times of the day when the uncertainty in model results caused by the choice of plant and soil parameters is at a minimum. Furthermore, domainspecific parameters should be used when ever available. / Die Unsicherheit in simulierten Flüssen, Zustandsgrößen, Wolken- und Niederschlagsbildung durch die Wahl der Pflanzen- und Bodenparameter, Bodentypen, subskaligen Heterogenität und Inhomogenität wird mit Hilfe von Ergebnissen aus Simulationen untersucht, in denen alternativ für alle Gitterzellen ein Parameter im Rahmen seiner natürlichen Variabilität verändert wird. So besteht eine höhere Sensitivität der Evapotranspiration zur Verdunstungsleitfähigkeit, Rauhigkeitslänge und subskaligen Heterogenität oder Inhomogenität als zu den anderen untersuchten Größen. Windgeschwindigkeit, die Menge an flüssigen und festen Wassersubstanzen ausgenommen, ist die Unsicherheit nachts und am frühen Nachmittag geringer als zur übrigen Zeit. Deshalb sollten Modellevaluationen möglichst zum Zeitpunkt geringer Unsicherheit durchgeführt werden. Darüber hinaus sollten, wenn möglich, gebietsspezifische Parameter verwendet werden.

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.

The influence of the concurrent land-use changes that took place in East-Germany from the Thirties to Eighties on micrometeorological conditions is examined. These land-use changes lead to a slightly warmer and drier atmospheric boundary layer (ABL). Moreover, they may significantly modify the partitioning of incoming energy between sensible and latent heat as well as partitioning of cloud-microphysical processes between the warm and cold path of precipitation formation. The atmospheric response to concurrent land-use changes deviates from superposition ( of the responses to simple land-use changes) also in areas of nonsignificant changes. / Der Einfluss der akkumulierten Landnutzungsänderungen, die zwischen den 30-er und 80-er Jahren in Ostdeutschland stattfanden, auf das Mikroklima wird untersucht. Diese Landnutzungsänderungen führen zu einer geringfügig wärmeren und trockeneren atmosphärischen Grenzschicht. Die Aufteilung der einfallendenden Energie in Flüsse fühlbarer und latenter Wärme sowie der wolkenmikrophysikalischen Prozesse in den warmen und kalten Pfad der Niederschlagsbildung ändern sich signifikant. Die atmosphärische Response auf die akkumulierten Landnutzungsänderungen weicht auch in Gebieten ohne signifikante Änderungen von der Superposition der Auswirkungen einfacher Landnutzungsänderungen ab.

Estimations of the intensity of short-period perturbations of the horizontal drift velocity at 80 - 110 km altitude are made using data from the regular low-frequency D1 ionospheric reflection observations at Collm, Germany (52° N, 15° E) for the period 1983 - 1999. A simple half-hourly-difference numerical filter is used to extract perturbations with time scales between 0.7 and 3 hours. The results are compared with the mean drift analyses in order to study the interaction between short-period perturbations and the mean circulation. The average monthly variances of short-period perturbations of the zonal velocity near 80 km altitude show a main maximum in summer, a smaller maximum in winter, and minimum values at the equinoxes. At higher altitudes the summer maximum is shifted towards spring, and another maximum of perturbation variances in autumn appears at altitudes near and above 100 km. The seasonal changes of variances of the meridional velocity show maximum values in spring and summer, also some indications for an increase of the summer maximum at altitudes larger than 100 km are found. The observed altitude changes of the seasonal variations of drift perturbation variances are consistent with some numerical calculations of the height structure of a spectrum of internal gravity waves in the middle and upper atmosphere. / Die Intensität kurzperiodischer Störungen der horizontalen Driftgeschwindigkeit im Höhenbereich zwischen 80 und 110 km wurde anhand der regulären D1 Langwellenreflexionsmessungen in Collm (52° N, 15° E), bestimmt. Verwendet wurden Daten der Jahre 1983 - 1999. Ein einfache numerische Filter basierend auf den Unterschieden aufeinanderfolgender halbstündiger Windmittelwerte wurde verwendet, um Störungen im Zeitbereich von 0.7 - 3 Stunden zu ermitteln. Die Ergebnisse wurden mit Analysen der mittleren Drift verglichen, um die Wechselwirkungen zwischen kurzperiodischen Störungen und der mittleren Zirkulation zu untersuchen. Die mittlere monatliche Varianz der kurzperiodischen Störungen der Zonalgeschwindigkeit bei etwa 80 km zeigt ein Hauptmaximum im Sommer und ein schwächeres Maximum im Winter, wobei die Minima während der Aquinoktien auftreten. In grösseren Höhen verschiebt sich das Sommermaximum zum Frühjahr hin, und in Höhen über 100 km erscheint im Herbst ein weiteres Maximum. Der Jahresgang der meridionalen Windstörungen zeigt maximale Werte in Frühjahr/Sommer, und es sind auch Hinweise auf eine Verstärkung des Sommermaximums oberhalb von 100 km zu finden. Die gemessenen Höhenänderungen im Jahresgang der kurzperiodischen Driftschwankungen entsprechen numerischen Ergebnissen der Höhenabhängigkeit interner Schwerewellen in der mittleren und oberen Atmosphäre.

Während der Sonnenfinsternis am 11. 8. 1999 kam es zu einer kurzzeitigen starken Abnahme der Ionisation im Höhenbereich der D-Region (60-90 km Höhe) am Unterrand der Ionosphäre. Mit bodengebundenen funktechnischen Beobachtungen der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen über die D-Region konnte dieses Ereignis in charakteristischer Weise als ein simulierter Tag-Nacht-Übergang mit allen zu erwartenden Konsequenzen beobachtet werden. Auf der Basis von Funkwellen-Ausbreitungsmessungen werden in Collm (51.3°N, 13°E) Windmessungen im Höhenbereich der Mesopause und unteren Thermosphäre (80-105 km) durchgeführt, die in der Regel - bedingt durch die Besonderheiten der ionosphärischen Wellenausbreitung des verwendeten Frequenzbereiches - nur in den Nachtstunden möglich sind. Während der Hauptphase des Finsterniseffektes wurden Messungen auch am Tag möglich. Die Ergebnisse fügen sich gut in das aus den mittleren monatlichen Nachtwerten für die Tagstunden extrapolierte Niveau ein. Die Reaktion der Ionosphäre auf die Sonnenfinsternis erfolgte mit geringer Verzögerung: der maximale Effekt war 5-10 Minuten nach der größten Abdeckung der Sonnenscheibe zu verzeichnen. / During the solar eclipse on 11 August 1999 a short-term decrease of ionisation in the D-region ( 60- 90 km altitude) at the lower boundary of the ionosphere appeared. Using ground-based measurements of radio-wave propagation through the D-region the event could be monitored as a simulated day-night-transition with the expected consequences for the ionosphere. At Collm (51.3°N, 13°E), mesopause region (80-105 km) windmeasurements are carried out based on radio wave propagation, which are not possible in summer during daylight hours due to radio-wave absorption. During the eclipse measurements became possible for a short period. Tue results fit well to mean monthly daytime data extrapolated from nighttime measurements. The reaction of the ionosphere on the solar eclipse was fast; the maximum effect was registered only 5-10 minutes after the maximum eclipse of the solar disk.

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 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.

Die Zerlegung von Beobachtungsgrößen in sogenannte Mittelwerte und Fluktuationen führt zur Parametrisierung des turbulenten Flusses aber auch zu Problemen. Der Erwartungswert der turbulenten Größe ψ ist das Ensemble Mittel über eine große Zahl von Realisierungen, falls ψ normalverteilt ist. Geophysikalische Daten bestehen jedoch aus Zeitreihen und/oder räumlichen Daten. Daher muß jeder vernünftige Mittelungsprozeß von ψ in der Zeit und/oder im Raum durchgeführt werden. Um die Fluktuationen ψ'' von ψ zu trennen, müssen wir den Erwartungswert von ψ bestimmen, d.h. die Fluktuationen in den langen Zeit- und/oder Raumskalen. Für dieses Problem ist der Mittelwert über das Meßintervall eine schlechte Approximation, das gleitende Mittel eine bessere und der numerisch tiefpassgefilterte Wert die bestmögliche Approximation. Eine Fluktuationsmessung (surface flux) im Bereich niedriger Flüsse wurde ausgewertet 1) nach der gewöhnlichen Methode und 2) mit einem numerischen Tiefpass Lanczos-Filter. Mit 2) erhielten wir bessere Ergebnisse. / Decomposition of some observables into so-called mean parts and fluctuations leads to parameterisation of turbulent flow but is also the cause of different problems. The expectation of the turbulent field ψ is, the ensemble mean over a large number of realizations if ψ follows a normal distribution. Geophysical data, however, consist of time- and/or space series. Thus every reasonable averaging process of ψ must be over time and/or space. To separate fluctuations ψ'' from ψ we must estimate the expectation value of ψ, i.e. fluctuations on long time and/or space scales. For this problem the mean over the measuring interval is an inexact approximation, the moving mean is better but the numerically low-pass filtered value probably the best possible approximation. A surface flux measurement in low flux regime is evaluated with 1) a usual procedure and 2) with a numerical low-pass Lanczos-filter. With 2) we obtain better results.