The general circulation model COMMA-LIM solves the primitive equations on a sphere using gridpoints. The relative large interval between adjacent gridpoints (5° × 5.6° latitude versus longitude) causes an incorrect meridional temperature gradient in the coarsly resolved troposphere that leads to too weak winds there, particularly in the lower winter stratosphere above the polar region. By using the technique of nudging 11-year averaged NCEP zonal mean temperature data were assimilated into COMMA-LIM. This means that longitudinal dependent processes as calculated by the model still influence the atmosphere. The nudging method has improved not only the lower atmosphere, but also the middle atmospheric jets show a more realistic behaviour. A numerical experiment by forcing the 16-day wave was carried out in order to investigate the influence of an improved background circulation on the vertical propagation of planetary waves. / Das globale Zirkulationsmodell COMMA-LIM berechnet die primitiven Gleichungen auf einem Kugelgitter. Der relativ große Gitterabstand von 5°× 5.6° in Breite und Länge und die grobe vertikale Auflösung führen zu einem inkorrekten meridionalen Temperaturgradienten in der Troposphäre, so dass die troposphärischen Jets und der polare Winterwirbel zu schwach ausgeprägt sind. Mit Hilfe der Methode des Nudging wurden in den unteren 30 km der Atmosphäre 11-Jahres gemittelte NCEP Reanalysedaten des Temperaturfeldes assimiliert. Dabei wurde nur der zonale Mittelwert der berechneten Temperatur an die Reanalysedaten relaxiert, so dass die Antriebsterme, die von COMMA-LIM berechnet werden, erhalten bleiben. Durch diese Methode wurden Wind- und Temperaturfeld sowohl in der Troposphäre als auch in der mittleren Atmosphäre verbessert. Ein Experiment zur Ausbreitung der 16-Tage Welle wurde unter den neuen Bedingungen durchgeführt, und der Einfluß der veränderten Atmosphäre auf die vertikale Wellenausbreitung wurde untersucht.

Seit August 2004 wird am geophysikalischen Observatorium Collm (51.3° N, 13° E) ein SKiYMET Meteor-Radar betrieben. Dieses liefert seitdem kontinuierliche Temperaturwerte und Windmessungen. Die Grundlage des Messverfahrens stellt ein stetiger Fluss von Meteoren dar, die in einer Höhe von 75-105 km verglühen. Aus den mit dem Radar bestimmten Positionen der Meteore können Temperaturen in der Mesopausenregion abgeschätzt werden. Für die Darstellung des Jahresganges wurden Tagesmittelwerte genutzt. Dabei tritt im Sommer ein Temperaturminimum mit ca. 170 K auf. Im Winter ist die Situation durch Temperaturen von 205 K und starker planetarer Wellenaktivität gekennzeichnet. Desweiteren konnte eine Klimatologie für die ganz-, halbtägigen und 8-stündigen Gezeiten erstellt werden. / Since August 2004 a SKiYMET meteor-Radar is operated at the geophysical Observatory Collm, Germany (51.3° N, 13° E). The radar provides a continuous time series of temperature and wind measurements. The bases for this method is a steady flux of meteors entering the earth’s atmosphere. In an altitude between 75-105 km they form a cylindrical plasma trail, which reflects radar signals. Hence the system can determine the positions of the meteors, which are used to estimate mesopause region temperatures. For the diagram of the seasonal change we used daily mean temperatures. The summer shows a temperature minimum with 170 K. During the Winter we observed temperatures about 205 K and a stronger planetary wave activity. Another part was the generation of a climatology for the diurnal, semidiurnal und terdiurnal tide.

Acoustic travel time tomography is presented as an experimental technique for remote monitoring of areally averaged meteorological quantities as the air temperature and the horizontal wind speed. This ground based remote sensing technique uses the nearly horizontal propagation of sound waves in the atmospheric surface layer. Here the acoustic travel time tomography was applied by measuring the travel time at defined propagation paths between several sound sources and receivers. The resulting sound speed were used to obtain estimates of the meteorological parameters. A measuring campaign was carried out at the test site in Lindenberg (DWD) to compare the acoustically derived data with conventional systems. These observations demonstrated that on one side the accuracy of the acoustic system is comparable with in-situ measurements and on the other side the temperature was particularly significant overestimated by the standard sensors, e.g. due to the radiation influence. / Die Akustische Laufzeittomographie wird als ein experimentelles Verfahren zur Sondierung meteorologischer Parameter, wie z.B. der Lufttemperatur und der horizontalen Windgeschwindigkeit, vorgestellt. Dieses bodengebundene Fernerkundungsverfahren nutzt die horizontale Ausbreitung von Schallwellen in der atmosphärischen Grenzschicht. Hier wird das Verfahren der Laufzeittomographie angewendet, d.h. bei bekannter Weglänge wird die Ausbreitungszeit von ausgesendeten Schallsignalen zwischen mehreren Schallquellen und Empfängern gemessen. Die resultierenden Schallgeschwindigkeitsinformationen werden genutzt, um daraus die entsprechenden meteorologischen Parameter abzuleiten. Auf dem Gelände des Meteorologischen Observatoriums Lindenberg (DWD) wurde eine Messkampagne durchgeführt, um die akustischen Sondierungen mit konventionellen Systemen zu vergleichen. Die Auswertungen zeigen, dass einerseits die Genauigkeit der Akustischen Tomographie vergleichbar mit den konventionellen in-situ Messungen ist und andererseits, dass die Lufttemperatur aufgrund des Strahlungseinflusses bei Messungen mit den üblichen Sensoren zum Teil erheblich überschätzt wird.

Windmessungen im Mesopausenbereich über Mitteleuropa (Collm, 52°N, I5°E) werden im Hinblick auf Langzeittrends und eine eventuelle Abhängigkeit vom 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus hin untersucht. Der Einfluß der solaren Variabilität ist jahreszeitenabhängig; nur in Frühjahr und Sommer wird eine signifikante Korrelation gefunden. Im Sommer ist diese Abhängigkeit mit stärkeren vertikalen Gradienten des mittleren zonalen Grundwindes im solaren Maximum verbunden. Dies weist auf einen Ursprung dieser Abhängigkeit in der Stratosphäre/Mesosphäre sowie auf Koppelungsmechanismen zwischen Stratosphäre, Mesosphäre und unteren Thermosphäre hin. Da die 2-Tage-Welle vom Gradienten abhängt, führt dies zu einer positiven Korrelation zwischen der Amplitude der 2-Tage-Welle und der Sonnenfleckenrelativzahl. / Mesopause winds over Central Europe (Collm, 52°N, I5°E) are analysed with respect to longterm trends and 11-year solar cycle dependencies. The response of the prevailing wind to the solar cycle differs throughout the year. While in winter no significant correlation between the zonal prevailing wind and the solar activity is found, in spring and summer a negative correlation between solar activity and zonal prevailing wind can be seen from the measurements. This is connected with strenger vertical gradients of the zonal prevailing wind during solar maximum than during solar minimum. This hints to a forcing of the mesopause region dynamical reaction on solar activity from the stratosphere/mesosphere and to coupling processes in the stratosphere-mesosphere-lower thermosphere system. Since the amplitude of the quasi twoday wave is dependent on the zonal mean wind gradient, this is connected with a positive correlation between solar activity and quasi two-day wave activity.

Negativ empfundene Schallereignisse, d.h. Lärm, sind nach wie vor eines der bedeutendsten Umweltprobleme besonders in urbanen Räumen. Die Ausbreitung von Schallwellen findet, abgesehen von Wechselwirkungen mit dem Boden, in der Atmosphäre statt und wird durch deren Struktur beeinflusst. Eine maßgebliche Rolle spielt dabei die raum-zeitliche Variabilität der meteorologischen Größen Temperatur, Windvektor sowie Luftfeuchtigkeit, die durch Brechung, Streuung und Absorption zu einer verstärkten oder verringerten Schallimmission an einem Ort führen kann. Im Rahmen einer Schülerarbeit (“Besondere Lernleistung”) wurden Schallpegelwerte an mehreren Messpunkten auf dem Gelände des Leipziger Instituts für Meteorologie bei verschiedenen Atmosphärenzuständen aufgenommen. Erste Auswertungen der Messergebnisse werden in dieser Studie vorgestellt. / Noise is one of the most important environmental problems especially in urban regions. The propagation of sound waves takes place in the atmosphere, apart from interactions with the ground surface, and is influenced by the atmospheric structure. Thereby, the spatial and temporal variability of meteorological quantities like temperature, wind vector and air moisture leads to refraction, scattering and absorption and thereupon to an increased or decreased noise exposure. Within the scope of a pupil’s work sound level measurements were carried out on different places at the site of Leipzig Institute of Meteorology during variable atmospheric conditions. First results are presented in this study.

Acoustic travel time tomography is presented as an experimental technique for remote monitoring of spatially averaged meteorological quantities, such as the virtual air temperature and the horizontal wind speed. This ground based remote sensing technique uses the nearly horizontal propagation of sound waves in the atmospheric surface layer. Here the acoustic travel time tomography was applied by measuring the travel time at defined propagation paths between several sound sources and receivers. The resulting sound speed was used to obtain estimates of the meteorological parameters. Several measuring campaigns were carried out to compare the acoustically derived data with conventional systems. The results of a cross validation during a field experiment in autumn 2000 are presented, where receivers at different heights above the ground were used. / Die Akustische Laufzeittomographie wird als ein Verfahren zur Fernerkundung räumlich gemittelter Größen, wie der virtuellen Temperatur und der horizontalen Windgeschwindigkeit, vorgestellt. Dieses bodengebundene Fernerkundungsverfahren beruht auf der annährend horizontalen Schallausbreitung in der atmosphärischen Grenzschicht. Das hier angewendete Verfahren der Laufzeittomographie beruht auf der Bestimmung der Ausbreitungszeit von Schallwellen zwischen mehreren Schallsendern und -empfängern. Die daraus abgeleitete Schallgeschwindigkeit liefert eine Information über die interessierenden meteorologischen Parameter. Eine Reihe von Feldexperimenten wurde durchgeführt mit dem Ziel, die akustisch bestimmten Größen mit denen konventioneller Verfahren zu vergleichen. Hier werden die Ergebnisse eines Vergleiches im Herbst 2000 präsentiert, bei dem die Schallempfänger in unterschiedlichen Höhen über dem Boden angebracht wurden.

In this study, the local similarity theory functions were calculated with two different approaches and on the other hand the mean hub height wind speed was compared with the rotor equivalent wind speed. Both calculations are based on two independent data-sets from measurement campaigns Hornamossen and Ryningsnäs which were conducted in the south of Sweden between May 2015 and June 2017, and November 2010 and February 2012. The first campaign includes measurements between 100 and 173 m and the second 98 and 138 m. In general, the aims were to validate if the results with reference functions and to compare the results from both approaches. The local similarity theory was used, because well above the ground, the assumption of a constant flux layer typically does not hold especially in the stable boundary layer. The used approaches are the flux-gradient and Richardson number formulation. Based on those, the non-dimensional universal functions for momentum and heat could be calculated and those could be presented as functions of the stability parameter. As shown in this study, the scatter the Richardson number formulation results are significant smaller compared to the flux-gradient formulation. One reason can be that the stability parameter and the universal functions for momentum and heat depend solely on the Richardson number. Despite the higher scatter, the medians of the universal function for momentum based on the flux-gradient formulations for both data-sets agree also with the references. Furthermore, for the results of the universal function for heat based on the flux-gradient formulation agree with the references if the minimum limit for the kinetic heat flux is significantly higher than for the universal function for momentum. Furthermore, in the publication from England & McNider 1995, who derived the Richardson number formulation, includes two erroneous equations for stable stratification. One of them has a tipping error and the other was incorrectly derived. Thus, the corrected equations are presented in this work. This work also presents new equations which are not based on the assumption that the constants of the empirical formulation for the universal function for momentum and heat with the same value. A comparison of the old and new equations show for a generated Richardson number vales a agreement of the results over the defined Richardson number range. Finally, in the wind industry it is a common practice to use the mean wind speed at the hub height as the representative mean wind speed over the entire rotor swept area. However, this assumption differs increasingly from the reality, because turbine sizes increase constantly. Thus, in this study, this common method is compared with another averaging concept. Hence, the work focuses on a area-weighted mean wind speed which is called the rotor equivalent wind speed. This average gives a better estimation of the existing wind field because it is based on multiple measurements at various heights. Since the wind gradient changes with height, those two velocities are plotted as functions of the same stability parameter as above. The main results in unstable stratification are that the hub height wind speed underestimates the rotor equivalent wind speed by about 1 to 1.5 %. In stable stratification the results vary: Two calculations show a overestimates by about 1 % and another shows no difference between those averages. Hence, the conclusion based on those findings are that the hub height wind speed is a source for a higher modelling uncertainty. On the contrary, the rotor equivalent wind speed gives more accurate modelling results. / I denna studie beräknades de lokala likhetsteorifunktionerna med två olika tillvägagångssätt och å andra sidan jämförs genomsnittliga vindhastigheten vid navhöjden med rotorekvivalent vindhastigheten. Beräkningarna är baserad på två oberoende datamängder från mätningskampanjer Hornamossen och Ryningsnäs som genomfördes i södra Sverige mellan maj 2015 och juni 2017 och november 2010 och februari 2012. Första kampanj innehåller mätningar mellan 100 och 173 m och den andra 98 och 138 m. Generellt var målet att validera resultaten med referensfunktioner och jämföra både tillvägagångssätt med varandra. Lokala likhetsteorinen används eftersom för mätningar långt över marken håller antagandet om ett konstant flödesskikt vanligtvis inte. Det gäller särskilt i det stabila gränsskiktet. De två tillvägagångssätten är flödesgradientförhållandet och Richardson-talformuleringen. Baserade på de formuleringarna kan de icke-dimensionella universella funktionerna för momentum och värme beräknas och de visas som en funktion av stabilitetsparametern. I denna studie visas att spridningen av Richardsons talformuleringsresultat är signifikant mindre jämfört med andra metoden. En anledning är att stabilitetsparameter och både universella funktioner beror endast på Richardson tal. Trots den högre spridningen överensstämmer medianerna för den universella funktionen för momentum baserat på flödesgradientformuleringarna med referenserna. Detsamma gäller för resultaten av den universella funktionen för värme baserat på flödesgradientformuleringen om minimigränsen om kinetiska värmeflödet är betydligt högre än för den universella funktionen för momentum. Dessutom innehåller publikationen från England & McNider 1995, som innehåller härledning av Richardson talformulering, två felaktiga ekvationer för stabila gränsskiktet. En av dem har ett tippfel och den andra var felaktigt härledd. Detta arbete presenteras de korrigerade ekvationerna. Dessutom presenteras en uppsättning nya ekvationer där de konstanterna av den empiriska formuleringen för den universella funktionen för momentum och värme inte antas att har samma värde. Slutligen är det i vindindustrin en vanlig praxis att använda den genomsnittliga vindhastigheten vid navhöjden som den representativa medelvindhastigheten för hela "rotor swept area". Turbinstorlekarna ökar dock ständigt och därför får skillnaden mellan realitet och beräkningen alltid större. Således fokusera denna studien en areaviktad medelvindhastighet som heter rotorekvivalent vindhastighet. Den beräknar medelvindhastigheten med ett mindre osäkerhet eftersom den är baserad på flera vindmätningar på olika höjder. På grund av ett ojämt vindgradient i gränsskiktet visas resulten som funktion av densamma stailitetsparameter från likhetsteorien. Huvudresultaten för instabil gränskiktet är att navhöjdens vindhastigheten underskattar rotorekvivalent vindhastigheten med cirka 1 till 1,5 %. För det stabila gränskiktet finns olika resultaten: Två beräkningar visar att navhöjdens vindhastigheten överskattningar rotorekvivalent vindhastigheten med ungefär 1 % och en beräkning visa inget skillnad mellan medelvärdarna. Slutsatsen är att navhöjdens vindhastigheten är ett källa till ett högre modelleringsosäkerhet. Däremot visades att användningen av rotorekvivalent vindhastigheten leda till ett bättre prognosresultat. / In dieser Studie wurde einerseits die lokale ähnlichkeitstheorie mit zwei unterschiedlichen Ansätzen berechnet und andererseits die durchschnittliche Nabenhöhen- mit der rotor-äquivalenten Windgeschwin- digkeit verglichen. Dafür standen zwei unabhängige Datensätze zur Verfügung, welche Messwerte zwischen 98 und 173 m beinhalteten. Die Messungen wurden in Südschweden durch die Messtürme Hornamossen und Ryningsnäs in den Zeiträumen von Mai 2015 bis Juni 2017 und von November 2012 bis Februar 2012 erhoben. Das Ziel dieser Studie war es, die Ergebnisse aus den Berechnungen mit Referenzfunktionen zu validieren und den ausgewählten Ansätzen zu vergleichen. Für Messungen mit mehr als 100 m über der Erdoberfläche ist die lokale ähnlichkeitstheorie anstelle der ähnlichkeitstheorie basierend auf der konstanten Flussschicht besser geeignet, da letztere von einem konstanten Wert ausgeht. Die Ansätze, die hierfür verwendet wurden, sind die „Flux-Gradient Formulation“ und die „Gradient Richardson Number Formulation“. Mit beiden kann die universelle Impuls- und Wärmefunktion berechnet und als Funktion des Stabilitätsparameters dargestellt werden. Wie diese Studie zeigt, ist die Streuung um die Referenzkurven sehr klein für die „Gradient Richardson Number“ Ergebnisse im Vergleich zur „Flux-Gradient Formulation“. Dies liegt daran, dass sowohl der Stabilitätsparameter und die universellen Impuls- und Wärmefunktion nur von der Richardson-Zahl abhängen. Trotz der höheren Streuung für die „Flux-Gradient Formulation“ stimmen die Mediane der universellen Impulsfunktionen von beiden Datensätzen und die Referenzkurven überein. Das Gleiche gilt für die Ergebnisse der universellen Wärmefunktion basierend auf der „Flux-Gradient Formulation“, wenn der Mindestwert für den kinetischen Wärmefluss signifikant größer ist als für die universelle Impulsfunktion. Ausgangspunkt ist die Veröffentlichung von England & McNider 1995, welche die „Gradient Richardson Number Formulation“ dargestellt haben. Diese enthält zwei fehlerhafte Gleichungen, wovon eine einen Tippfehler aufweist und die andere auf einer fehlerhaften Herleitung basiert. Diese Arbeit stellt daher ebenso die korrigierten Gleichungen dar. Zusätzlich werden neue Gleichungen vorgestellt, bei denen nicht angenommen wird, dass die von England & McNider angenommenen Konstanten der empirischen Funktionen für die universelle Impuls- und Wärmefunktion den gleichen Wert haben. In der Windindustrie ist es üblich, dass die durchschnittliche Nabenhöhen-Windgeschwindigkeit als Durchschnittsgeschwindigkeit für die gesamte „rotor swept area“ angenommen wird. Diese Annahme weicht immer mehr von der Realität ab, weil Windkraftwerke kontinuierlich größer werden. Daher wird in dieser Arbeit auf eine flächengewichtete mittlere Windgeschwindigkeit mit der Bezeichnung Rotor-äquivalente Windgeschwindigkeit gearbeitet. Diese produziert realistischere Durchschnittswerte, weil sie Messungen von mehreren vertikal verteilten Messpunkten einbezieht. Aufgrund des sich verändernden Windgradientens in der Grenzschicht wird die Abweichung zwischen diesen beiden Geschwindig- keiten als Funktion der Schichtungsstabilität dargestellt. Die zentralen Ergebnisse dieser Studie zeigen zusammenfassend, dass bei labiler Schichtung die Nabenhöhen-Windgeschwindigkeit die Rotor-äquivalente Windgeschwindigkeit um etwa 1 % bis 1.5 % unterschätzt. Für die stabile Schichtung unterscheiden sich die Ergebnisse: Zwei Berechnungen zeigen, dass die Nabenhöhen-Windgeschwindigkeit die Rotor-äquivalente Windgeschwindigkeit um ca. 1 % überschätzt und eine andere Berechnung zeigt keinen Unterschied zwischen den Mittelwerten. Daraus kann gefolgert werden, dass die Nabenhöhen-Windgeschwindigkeit eine höhere Fehlerquelle aufweist. Im Gegensatz dazu liefert die rotor-äquivalente Windgeschwindigkeit genauere Prognosewerte.