Berlin, Techn. Univ., Diss., 2001. / Computerdatei im Fernzugriff.

Berlin, Techn. Univ., Diss., 2001. / Computerdatei im Fernzugriff.

Universiẗat, Diplomarbeit, 2005--Erlangen-Nürnberg. / Zsfassung in engl. Sprache u.d.T.: Non-linear resonant wave-wave interaction (triad) : case studies based on rocket data.

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°).

Ein neues Schema für die Parametrisierung der Schwerewellen und ihres Einflusses auf die mittlere Atmosphäre ist für COMMA-LIM (COlogne Model of the Middle Atmosphere - Leipzig Institute for Meteorology) übernommen worden. Während das bisher in COMMA-LIM genutzte aktualisierte Lindzen-Schema (Lindzen, 1981) die Ausbreitung und das Brechen einzelner Wellen berechnet, geht das Warner und McIntyre-Schema von einem Spektrum der Schwerewellen aus. Beide Schemata gehen von Schwerewellen im mittleren Frequenzbereich zwischen Brunt-Väisäla Frequenz und Rotationsrate der Erde aus (N >> ω >> f). Erste Ergebnisse werden vorgestellt. / A new scheme for the parametrizing of the gravity waves and their impact on the mean circulation of the middle atmosphere has been adapted to COMMA-LIM (COlogne Model of the Middle Atmosphere - Leipzig Institute for Meteorology). The current version based on the Lindzen-scheme (Lindzen, 1981) calculates the propagation and breaking of 48 single waves while the new Warner and McIntyre - scheme uses a spectral approach of gravity waves. Both schemes are based on the medium frequency approach locating the gravity waves between the Brunt-Väisälä-frequency and the rotation rate of the earth ((N >> ω >> f). First results are presented.

In the height range 10–30 km atmospheric gravity waves lead to periodic perturbations of the background temperature field in the order of 2-3 K, that are resolved in temperature profiles derived from radio occultation measurements. Due to the spherical symmetry assumption in the retrieval algorithm and the low horizontal resolution of the measurement damping in the amplitude and phase shift of the waves occurs leading to remarkable errors in the retrieved temperatures. The influence of the geometric wave parameters and the measurement geometry on plane gravity waves in the range 100-1000 km horizontal and 1-10 km vertical wavelength is investigated with a 2D model ranging ±1000 km around the tangent point and 10-50 km in height. The investigation shows, that with radio occultation measurements more than 90 % of the simulated waves can be resolved and more than 50% with amplitudes above 90%. But the geometrical parameters cannot be identified, since one signal can be attributed to different combinations of wave parameters and view angle. Even short waves with horizontal wavelengths below 200 km can be derived correctly in amplitude and phase if the vertical tilt is small or the view angle of the receiver satellite is in direction of the wave crests. / Atmosphärische Schwerewellen führen im Höhenbereich 10-30 km zu periodischen Störungendes Hintergrundtemperaturfeldes in der Größenordnung von 2-3 K, die in Temperaturprofilen aus Radiookkultationsmessungen aufgelöst werden. Aufgrund der sphärischen Symmetrieannahme im Retrievalverfahren und durch die niedrige horizontale Auflösung des Messverfahrens werden Phasenverschiebungen und Dämpfung der Amplitude verursacht, die zu beachtlichen Fehlern bei den abgeleiteten Temperaturen führen. Der Einfluss der geometrischen Wellenparameter und der Messgeometrie auf ebene Schwerewellen im Bereich 100-1000 km horizontale und 1-10 km vertikale Wellenlänge wird untersucht mit einem 2D-Modell, dass sich auf ein Gebiet von ±1000 km um den Tangentenpunkt und von 10-50 km in der Höhe erstreckt. Die Untersuchung zeigt, dass mit Radiookkultationsmessungen mehr als 90% der simulierten Wellen aufgelöst werden und mehr als 50% mit Amplituden oberhalb von 90% der ursprünglichen. Die geometrischen Parameter können jedoch nicht aus Einzelmessungen abgeleitet werden, da ein Signal zu verschiedenen Kombinationen von Wellenparametern und Sichtwinkel zugeordnet werden kann. Auch relativ kurze Wellen mit horizontalen Wellenlängen unterhalb von 200 km können korrekt in der Amplitude und Phase aufgelöst werden, falls die Neigung des Wellenvektors gegen die vertikale gering ist oder der Sichtwinkel des Empfängersatelliten in Richtung der Wellenberge ist.

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.

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°).

Techn. University, Diss., 2001--Berlin.

Using a global circulation model of the middle atmosphere we analyze the influence of different tropospheric gravity wave amplitude distributions in the gravity wave parameterization on the mean circulation. Thereby we compare the standard configuration, which includes a simple zonal mean weighting of gravity wave amplitudes with a more realistic zonal mean weighting obtained from measurements using GPS radio occultations and a GW distribution in both latitude and longitude. The results show a stronger polar vortex and a descent of the meridional wind jet in the mesopause. Furthermore, two-dimensional weightings from the measurements are considered in order to analyze nonzonal effects resulting especially in stationary planetary waves. In this case we obtain a stronger stationary planetary wave and find enhanced equatorward wave motions in the lower stratosphere. These results give reason for further investigations about the impact of gravity waves on the Brewer-Dobson circulation. / Mit Hilfe eines globalen Zirkulationsmodells für die mittlere Atmosphäre untersuchen wir den Einfluss verschiedener in der Troposphäre festgelegter Verteilungen der Schwerewellenamplitude in der Schwerewellenparametrisierung des Modells auf die mittlere Zirkulation. Dazu vergleichen wir den Standardfall zonal gemittelter künstlicher Wichtungen der Schwerewellenamplituden mit sowohl zonal gemittelten als auch längen-breitenabhängigen Wichtungen aus GPS-Radiookkultationensmessungen. Die Ergebnisse zeigen einen stärkeren Polarwirbel und ein Absinken des meridionalen Windjets in der Mesopause. Zusätzlich wurden zweidimensionale Wichtungen aus den GPS-Radiookkultationen ausgwertet, um den Einfluss planetarer Wellen zu analysieren. In diesem Fall lässt sich eine äquatorwärts gerichtete Verstärkung der Wellenbewegung in der unteren Stratosphäre feststellen. Diese Ergebnisse geben Anlass für weitere Nachforschungen über den Einfluss von Schwerewellen auf die Brewer-Dobson-Zirkulation.