Zuarbeit zum Forschungsbericht

Seit Juli 2004 wird an der Außenstelle Collm der Universität Leipzig kontinuierlich ein Meteorradar zur Messung des Windes und der Temperatur im Höhenbereich 80-100 km betrieben. Die Messungen dienen der Überwachung der Dynamik der Mesopausenregion, und ihrer Änderungen auf Zeitskalen von Tagen und Jahren. Erste Ergebnisse vom Herbst 2004 werden dargestellt, verglichen mit den ebenfalls am Collm durchgeführten Langewellenreflexionswindmessungen. Die Ergebnisse zeigen, dass die vertikale Struktur des Windsystems und die Variationen von Tag zu Tag qualitativ übereinstimmen. Die mit dem Meteorradar gemessenen Gezeitenamplituden sind jedoch systematisch größer als diejenigen, die mit dem Langewellenverfahren gemessen wurden.

Mit Hilfe eines Zirkulationsmodells der mittleren Atmosphäre wird die Ausbreitung der Quasi-Zwei-Tage-Welle simuliert. Das Modell verfügt über eine aktuelle Schwerewellenparametrisierung und ermöglicht daher die detaillierte Beschreibung der Wechselwirkung planetarer Wellen mit Schwerewellen. Bei Anwesenheit der Quasi-Zwei-Tage-Welle wird der Schwerewellenfluss mit der Periode von zwei Tagen und der räumlichen Struktur der Quasi- Zwei-Tage-Welle moduliert. Modellergebnisse zeigen, dass sich die Quasi-Zwei-Tage-Welle nicht gut in die untere Thermosphäre ausbreitet. Phasenvergleiche zwischen Quasi-Zwei-Tage-Welle und Divergenz des Eliassen-Palm-Flusses der Schwerewellen zeigen, dass dies eine Folge sekundärer Anregung der Quasi-Zwei-Tage-Welle durch brechende Schwerewellen ist, die außer Phase mit der Originalwelle erfolgt.

Eine verbesserte Methode zur Erfassung der Parameter interner Schwerewellen mit Hilfe von Winddaten eines Meteorradars wird vorgestellt. Die Analyse basiert auf der Einteilung des Messvolumens in Untervolumina und der Waveletanalyse der Windmessungen in diesen, mit anschließender Bestimmung der Phasenlage der spektralen Maxima. Auf diese Weise ist zum ersten Mal eine Statistik von Schwerewellenparametern aus Meteorradardaten unter Einschluss der horizontalen und vertikalen Wellenlängen und Ausbreitungsrichtungen erstellt worden. Es zeigte sich, dass sich der größte Teil der Schwerewellen sich oben ausbreitet. Hochfrequente Wellen mit Periodendauern unter 2 Stunden dominieren. Die Verteilung der erfassten Wellen innerhalb eines Tages zeigt eine geringe Struktur, mit Maxima am Morgen und Abend.

Die Schwerewellenaktivität in der oberen Mesosphäre und unteren Thermosphäre wird mit Hilfe von ionosphärischen Driftmessungen im Zeitraum 1984-2003 unter Verwendung eines kommerziellen Rundfunksenders untersucht. Der Reflexionspunkt in der unteren Ionosphäre ist bei 52.1°N, 13.2°E, die Messhöhe ist 85-110 km. Die Ergebnisse zeigen maximale Aktivität in der sommerlichen Mesosphäre, wobei sich das Maximum in größeren Höhen zu den Äquinoktien hin verschiebt. Dieser Bereich maximaler Schwerewellenamplituden deckt sich mit demjenigen der größten vertikalen Scherung des Hintergrundwindes. Die Ausbreitungsrichtung ist vorzugsweise west-östlich, mit einer südöstlichen Komponente im Winter in der Mesosphäre und einer nordöstlichen Komponente im Sommer in der unteren Thermosphäre. Die Zeitreihen der 3-monatig gemittelten Schwerewellenaktivität zeigen maximale Amplituden um 1989-2001 und 2000-2002, was auf einen möglichen Einfluss des 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus auf die dynamische Aktivität der Mesosphäre und unteren Thermosphäre hinweist.

Schnell wachsende atmosphärische Rossbywellenzüge (RWT Moden) sind Lösungen der Singulärvektoranalyse (SV-analyse) der gedämpften barotropen Vorticitygleichung für Nord-Winter Grundströme. Bei Verwendung von 40 DJF Grundströmen treten die RWT Moden in nur vier Regionen auf der Welt auf. Ihre Ausbreitungspfade sind bemerkenswert konstant für Entwicklungszeiten bis zu 96h und streuen für längere Zeiten. Die am schnellsten wachsende RWT Mode breitet sich (innerhalb von 4 Tagen) in der Region des Nordpazifiks (NPAC) aus für jeden der betrachteten DJF Grundströme. Wir bezeichnen sie deshalb als NPAC Mode. Klimatologisch hängt ihr Ausbreitungspfad vom Grundstrom ab und kaum von der jeweiligen Anfangsstruktur. Der Wachstumsfaktor der NPAC mode beträgt zwischen 10 und 20 für fast alle Grundströme und erreicht 30 für einige wenige. Es gibt viele Anfangsstrukturen, die sich auch zu einer NPAC Mode entwickeln. Ihre Wachstumsfaktoren sind jedoch kleiner. Es konnte gezeigt werden, daß die NPAC Moden mit moderaten Wachstumsfaktoren auch näherungsweise Lösungen der nichtlinearen Modellgleichung sind. Hierzu wurde eine neue Formulierung des Advektionstermes verwendet, die im Rahmen der Energie-Wirbel-Theorie abgeleitet wurde. Die Konstanz der Ausbreitungspfade, die großen Wachstumsfaktoren und die Gültigkeit der Linearisierungsannahme für Entwicklungszeiten bis zu 96h machen die NPAC Mode zu einer dynamischen Struktur, die wichtige Teile der großräumigen interannuellen Variabilität in der Region des Nordpazfiks erklären könnte.

Jahresbericht

The differences in the concepts of two different parameterizations of cloud microphysics are analyzed. Simulations alternatively applying these parameterizations are performed for a Baltic heat cyclone event. The results of the simulations are compared to each other as well as to observed distributions of cloudiness and snowfall. The main differences between the simulated distributions result from the assumptions on ice, the ice classes, and size distributions of the cloud and precipitating particles. Both schemes succeeded in predicting the position and the main structure of the main cloud and snowfall fields. Nevertheless, the more convective type parameterization overestimates, while the other one underestimates snowfall. / Die Unterschiede in den Konzepten zweier unterschiedlicher Parametrisierungen der Wolkenmikrophysik werden analysiert. Die Ergebnisse der Simulationen werden miteinander und mit den beobachteten Wolken- und Schneeverteilungen für eine Baltische Wärmezyklone verglichen. Die wesentlichen Unterschiede in den berechneten Verteilungen resultieren aus den verschiedenen Annahmen über Wolkeneis, die Eisklassen und die Größenverteilungen der Wolken- und Niederschlagspartikel. Beide Schemata sagen die Position und die wesentlichen Strukturen der Wolken- und Schneeverteilungen erfolgreich vorher. Dennoch überschätzt das eher konvektive Schema den Schneefall, während das andere ihn unterschätzt.

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This article gives an overview on the investigations on Artic boundary-layer mixed-phase clouds conducted within the Arctic Study of Tropospheric Aerosol, Clouds and Radiation (ASTAR) in spring 2007. In particular the horizontal and vertical disribution of ice crystals within the clouds was determined by three independent airborne instruments (lidar, in situ and solar radiation measurements). Spectral measurements of cloud top reflectivity have been utilized to retrieve information on the ice phase by analyzing the spectral pattern of the cloud top reflectance in the wavelength range dominated by liquid water and ice absorption (1400-1700 nm). A new algorithm to derive an ice index which distinguishes pure ice, liquid water, and mixed-phase clouds was developed. The horizontal distribution of the ice index, observed during ASTAR 2007, agrees with airborne lidar and in situ measurements showing patches of glaciated clouds at an air mass transition zone within the investigated mixed-phase cloud fields. Information on the vertical distribution of ice crystals in mixed-phase clouds was derived by comparing the measured cloud top reflectivity in the wavelength band 1400-1700 nm to radiative transfer simulations. To interpret the data, the vertical weighting of the measurements was calculated. In the investigated wavelength range the weightings differ according to the spectral absorption of ice and liquid water. From the observed spectral cloud reflectivity with low values in the ice absorption maximum (1400 nm) and higher values at the liquid water absorption maximum (1700 nm) it was concluded that ice crystals were present in the otherwise liquid dominated cloud top layer. Although in situ measurements (limited due to vertical resolution and detection limits) did confirm these findings only in certain limits, the retrieved vertical structure is in agreement with published ground based remote sensing measurements.