Jahresbericht 2011

For the analysis of trends in weather extremes, we introduce a diagnostic variable, the exceedance product, which combines intensity and frequency of extremes. We separate trends in higher moments from trends in mean or standard deviation and use bootstrap resampling to evaluate statistical significances. Application to daily meteorological records from Potsdam (1893–2005) and Prague (1775–2004) reveals that extremely cold winters occurred only until mid-20th century, whereas warm winters show upward trends. These were significant changes in higher moments of the temperature distribution. In contrast, trends in summer temperature extremes (e.g., 2003 European heatwave), can be explained by linear changes in mean or standard deviation. While precipitation at Potsdam does not exhibit pronounced trends, dew point displays an enigmatic change from maximum extremes during the 1960s to minimum extremes during the 1970s. / Zur Untersuchung von Trends vonWetterextremen wird ein neuartiges „Wirkungsmaß” eingeführt, das Produkt der Extremwertübertreffung, welches die beiden Aspekte „Stärke” und „Häufigkeit” miteinander verbindet. Es werden Trends in höheren Momenten von Trends in Mittelwert und Standardabweichung getrennt sowie Bootstrap-Verfahren angewendet, um die statistische Signifikanz auszuwerten. Bei der Verwendung von meteorologischen Daten in täglicher Auflösung von Potsdam (1893–2005) und Prag (1775–2004) zeigt sich, dass extrem kalte Winter nur bis Mitte des 20. Jahrhundert auftraten, wohingegen warme Winter einen Aufwärtstrend aufweisen, welche signifikante Änderungen in höheren Momenten der Temperaturverteilung darstellen. Im Gegensatz dazu kann der Trend von Sommer-Temperaturextremen (z.B. die Hitzewelle im Jahr 2003 in Europa) durch Änderungen in Mittelwert und Standardabweichung erklärt werden. Während der Niederschlag in Potsdam keine ausgeprägte Trends zeigt, weist der Taupunkt einen rätselhaften Übergang von Maximumextremen in den 1960ern zu Minimumextremen in den 1970ern auf.

A possible connection of planetary waves (PW) and ionospheric planetary wave type oscillations (PWTO) at midlatitudes is studied by analyzing MetOffice stratospheric reanalysis data and maps of the Total Electron Content. Although the seasonal variability looks similar, the vertical coupling between stratosphere and ionosphere is known to only happen indirectly through processes such as the modulation of gravity waves (GW) by PW. To investigate possible coupling processes, information about GW are retrieved from SABER temperature profiles (30-130 km) by calculating the potential energy (Ep) and generating daily maps of Ep. For the period of time from 2003-07-19 to 2005-07-20 proxies of stationary and travelling PW were calculated to obtain a general picture of PW activity, modulation of GW by PW and activity of PWTO in the ionosphere. The results reveals that mostly PW itself cannot reach lower thermospheric heights, but their signatures propagate upward up to 120 km and above, where they can trigger PWTO. / Ein möglicher Zusammenhang zwischen dem Auftreten planetarer Wellen (PW) und typischer Oszillationen planetarer Wellen (PWTO) der Ionosphäre in mittleren Breiten wird auf der Basis von Analysen stratosphärischer Reanalysen und Karten des Gesamtelektronengehalts untersucht. Obwohl das saisonale Verhalten ähnlich erscheint, kann die Kopplung nur auf indirektem Wege erfolgen, wie z.B. durch die Modulation von Schwerewellen (GW) durch PW. Die für die Analysen notwendigen Informationen über GW können aus Temperaturprofilen (30-130 km), abgeleitet von Satellitenbeobachtungen (z.B. SABER), durch die Bestimmung der potentiellen Energie von GW, gewonnen werden. Zusammengefasst in täglichen Daten (2003-07-19 to 2005-07-20) stellen Proxies stationärer und wandernder PW ein vereinfachtes Bild des Prozesses der Modulation durch PW dar. Die Ergebnisse zeigen, dass sich PW selbst nicht bis in die unteren Thermosphäre ausbreiten können. Jedoch die Signatur, getragen durch GW, könnte auf diesem Wege als PWTO abgebildet werden.

Acoustic travel-time measurement is a method for remote sensing of the atmosphere. The temperature-dependent sound speed as well as the flow field can be detected by measuring the travel time of a defined acoustic signal between a sound source and a receiver when the distance between them is known. In this study the properties of the flow field are reconstructed using reciprocal sound rays to separate the directionindependent sound speed from the effective sound velocity including the flow velocity component in direction of the sound path. The measurements are taken on a horizontal scale of about 2 m x 2 m. By measurements in interiors, where no flow of air exists, the temperature can be determined with an accuracy of 0.6°C and the flow component in direction of the sound path with an accuracy of 0.3 m/s. If flow of air exists the measurements gets complicated because the phase shifts, which have been detected by the receivers, cannot be corrected like it was possible without the influence of flow.

The speed of sound in air mainly depends on temperature and flow properties along the propagation path of acoustic signals. In turn, distributions of these quantities can be determined from sound speed measurements along different propagation paths. In this article, a modular measurement system is presented which is suited to demonstrate the effects of surrounding conditions on the speed of sound, e.g. for educational purposes, and which can be used for an easy testing of new hardware components or algorithms. Underlying mathematical relations are explained and uncertainties are discussed. A sample application of the system within a laboratory shows the effect of local heating on the sound speed along several propagation paths which differ in their spatial distribution with respect to the heating source.

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Global analyses of gravity wave activity in the stratosphere are presented for the first time using German Low Earth Orbit (LEO) satellite CHAMP. Temperature profiles obtained from CHAMP/GPS radio occultations are first compared with ground based instruments. In general, good agreement is found between these different techniques. Monthly mean Ep values of potential energy, Ep values, being a measure of gravity wave activity, which is estimated with radiosonde observations are compared with CHAMP/GPS data and found that radiosonde observed Ep values are higher than those estimated with radio occultations. There exists a strong diurnal variation of gravity wave activity. From the global morphology of gravity wave activity, large values Ep are noticed even at mid latitudes during winter months besides the tropical latitudes but not during equinoxes suggesting that wave activity, especially at stratospheric heights, is not only modulated due to orography (mountain/lee waves) but mainly depends on seasonal variations at respective latitudes. Latitudinal and vertical variation of gravity wave activity reveals the existence of large Ep values below 25 km and low values in between 25 and 30 km in all the seasons near equator. During southern hemisphere winter, large values are noticed. During equinoxes, these values are nearly same between northern and southern hemispheres (NH and SH) at mid-latitudes. During the months of solstices, Ep distribution involves a larger hemispheric asymmetry at middle and higher latitudes. Large values of Ep are noticed at SH polar latitudes during Sep-Oct months and the latitude range is wider (±300° latitude in both the hemispheres) with large Ep values in all the seasons except winter. / Zum ersten Mal werden globale Analysen der Schwerewellenaktivität, bestimmt unter Verwendung des CHAMP LEO-Satelliten, vorgestellt. Temperaturprofile der CHAMP/RO-Okkultationen werden zunächst mit bodengestützten Messungen verglichen. Generell ist die Übereinstimmung gut. Monatliche Mittelwerte der potentiellen Energie Ep, die als Maß für Schwerewellenaktivität gilt, wurden aus Radisonden- und CHAMP-Messungen bestimmt, wobei die CHAMP-Daten höhere Werte lieferten. Es existiert eine deutlicher Tagesgang von Ep. Die globale Morphologie der Schwerewellenaktivität zeigt hohe Werte nicht nur am Äquator, sondern auch in mittleren Breiten, dies aber nicht während der Äquinoktien. Dies weist darauf hin, dass Schwerewelleaktivität nicht nur orographisch angetrieben ist, sondern in verschiedenen Breiten vom Jahresgang abhängt. Die Breiten- und Höhenabhängigkeit der Schwerewellenaktivität zeigt zwischen 25 und 30 km niedrige, unterhalb von 25 km hohe Werte von Ep am Äquator. Während des Winters in der Südhemisphäre sind die Werte hoch, während zu den Äquinoktien hohe Werte in mittleren Breiten beider Hemisphären zu finden sind. Während der Solstitien zeigt die Ep-Verteilung stärkere hemisphärische Asymmetrie. Hohe Werte von Ep werden während des südpolaren Frühjahrs gemessen. Der äquatoriale Bereich hoher Varianz ist in allen Jahreszeiten außer im Winter breit (±300°).

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Präsentation der Forschungsergebnisse aus dem Institut für Meteorologie der Universität Leipzig und dem Leibniz-Institut für Troposphärenforschung

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