Prozesse und Klimatologie von Schwerewellen (PACOG)

PIs:

Prof. Dr. Franz-Josef Lübken, Prof. Dr. Jorge Chau,  Dr. Gunter Stober, Dr. Gerd Baumgarten,  IAP Kühlungsborn,
Prof. Dr. Markus Rapp, Dr. Andreas Dörnbrack, IPA DLR Oberpfaffenhofen

PhD students and Postdocs:
Dr. Irina Strelnikova (IAP), Raimund Wörl (IAP), Harikrishnan Charuvil Asokan (IAP), Kathrin Baumgarten (IAP), Robert Reichert (DLR), Dr. Bernd Kaifler (DLR), Benedikt Ehard (DLR)

Abbildung 1 MAARSY Radar und ALOMAR RMR Lidar

PACOG ist ein Projekt im Rahmen der Forschergruppe "MS-GWaves", bei der es um die Erforschung von Schwerewellen geht. PACOG konzentriert sich dabei auf atmosphärenphysikalische Beobachtungen und Vergleich mit Modellrechnungen. Schwerewellen spielen für unser Verständnis der mittleren Atmosphäre eine entscheidende Rolle, da sie die Atmosphäre um mehr als 100 K vom strahlungsbedingten Zustand treiben können und drastische Veränderungen der Zirkulation und der Zusammensetzung bewirken können. Schwerewellen stellen den wichtigsten Kopplungsprozess zwischen unteren und oberen Schichten der Atmosphäre dar. Leider sind viele Einzelheiten bezüglich Schwerewellen unzureichend verstanden. Dies betrifft z. B. die Erzeugung, Ausbreitung, Filterung, Dissipation und die zeitliche und räumliche Variabilität. Wir möchten die Klimatologie von Schwerewellen auf regionalen und globalen Skalen untersuchen. Dabei wird eine Kombination von hochmodernen Instrumenten eingesetzt, z. B. Lidars und Radars. Die Interpretation der Ergebnisse wird mit Hilfe von Simulationen, die auf Reanalysen aufbauen, unterstützt. Das Ziel von MS-GWaves besteht letzten Endes darin, die Parametrisierung von Schwerewellen in globalen Modellen zu verbessern. Die in PACOG durchgeführten Beobachtungen sollen in allen Teilprojekten von MS-GWaves verwendet werden, z. B. beim Vergleich von lokalen und regionalen Messungen mit globalen Beobachtungen von Satelliten (Projekt SV) oder zur Validierung von Modellrechnungen in den Projekten 3DMSD und GWING.

alomar kborn and ratio s
Abbildung 3.   Die Klimatologie der Schwerewellen anhand der potentiellen Energiedichte aus Messungen des ALOMAR (oben) und des Kühlungsborner (Mitte)  RMR-Lidars bei Tag und Nacht sowie das Verhältnis beider Stationen (unten)


In der ersten Phase von PACOG wurde die Klimatologie der Schwerewellen anhand der potentiellen Energiedichte aus Messungen des Kühlungsborner RMR-Lidars bei Tag und Nacht untersucht.

Abbildung 2. Zeit-Höhen-Schnitte von Temperatur-,Zonalwind- und Meridionalwindstörung während einer langen Messung vom 21. bis 23.01.2012

Das DoRIS Setup des ALOMAR-RMR-Lidar (69°N) wird genutzt, um gleichzeitig Winde und Temperaturen in der mittleren Atmosphäre zu messen. Während der ersten Phase von PACOG wurden Messungen von Wind und Temperaturen zwischen 20 und 80 km Höhe ausgewertet. Eine Klimatologie zur saisonalen Variabilität von mittleren Winden, Gezeiten und Schwerewellen wurde auch von kontinuierlichen Radarmessungen in ALOMAR und Juliusruh abgeleitet. Das neu entwickelte MMARIA Konzept erlaubt es horizontal aufgelöste Winde mit Hilfe eines Netzwerkes von aktiven und passiven Meteorradaren zu messen. Dieses Konzept ermöglicht es die räumliche und zeitliche Entwicklung von Schwerewellen in der Mesosphäre zu untersuchen.

Eine detaillierte Fallstudie zu Gebirgswellen unter transient troposphärischer Anregung wurde durchgeführt. Die dazu kombinierten flugzeuggetragenen und bodengestützten Messungen waren Teil der DEEPWAVE Kampagne in Neu Seeland während des australischen Winters 2014. Um den Einfluss der transienten Anregungsbedienungen auf die vertikale Schwerewellenausbreitung genauer zu untersuchen, wurden die Messungen mit operativen Analysen und Kurzzeitvorhersagen von ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) kombiniert.


Neben der DEEPWAVE Kampagne in Neu Seeland, wurde eine weitere umfassende Kampagne in Nordskandinavien im Winter 2015/2016 durchgeführt. Für diese Kampagne wurden unter anderem mehrere Lidars, Radars, Instrumente zum Vermessen von Nachthimmelsleuchten, Ballons sowie Flugzeuge verwendet. Das ist bis dato die größte Feldkampagne, die in diesem Gebiet durchgeführt wurde.

In der zweiten Phase planen wir eine detaillierte Untersuchung von:
• der zeitlichen und räumlichen Variabilität von Gezeiten und Schwerewellen
• der Rolle lokaler Quellen ('hot spots') von Schwerewellen auf die Strato-/Mesosphäre
• der Signifikanz von sekundären Schwerewellen für die Dynamik in der mittleren Atmosphäre
• der Kopplung zwischen Troposphäre und mittlerer Atmosphäre durch Schwerewellen unter ausgewählten Bedingungen
• der Schwerewellendissipation

Das Ziel von MS-GWaves besteht letzten Endes darin, die Parametrisierung von Schwerewellen in globalen Modellen zu verbessern. Die in PACOG durchgeführten Beobachtungen sollen in allen Teilprojekten von MS-GWaves verwendet werden, z. B. beim Vergleich von lokalen und regionalen Messungen mit globalen Beobachtungen von Satelliten (Projekt SV) oder zur Validierung von Modellrechnungen in den Projekten 3DMSD und GWING.

Veröffentlichungen