Ableitung von Schwerewellen-Energiedichten aus RMR-Lidar Messungen

Temperatur-Schwankungen während einer Messung

Bei der Bestimmung des Jahresgangs der Temperatur über ALOMAR wurden alle Rohdaten einer Messung aufsummiert und erst dann die Temperaturen abgeleitet. So erhält man das mittlere Temperatur-Profil einer Messung. Bei der Untersuchung von Schwerewellen liegt der Fokus auf kurz-periodischen Temperatur-Schwankungen mit Perioden von einigen Minuten bis zu vielen Stunden.

Dazu werden die Rohdaten über eine Stunde integriert und dann das entsprechende Temperatur-Profil berechnet. Dann wird der Integrationszeitraum um 10 min verschoben. Als Ergebnis erhält man die zeitaufgelöste Änderung der Temperatur-Struktur während einer Messung. Ein Beispiel dafür ist in Abbildung 1 für die RMR-Lidar Messung vom 2./3. Februar 2001 17 UT–05 UT gezeigt. Die Kreuze am oberen Rand markieren die Einzelprofile. Neben der generellen Temperatur-Struktur mit dem Temperatur-Maximum der Stratopause bei 47 km sieht man darüber den Abfall der Temperatur mit der Höhe in der Mesosphäre. Außerdem kann man erkennen, dass die Temperatur im Laufe der Nacht deutliche Schwankungen zeigt.

Um diese Schwankungen, die durch Schwerewellen verursacht werden, deutlicher sichtbar zu machen, wird die mittlere Temperatur während der Messung als Mittel der Einzelprofile berechnet. Dann wird die Differenz der Einzelprofile zum Nachtmittel-Profil berechnet. Die so berechneten Temperatur-Schwankungen sind in Abbildung 2 gezeigt. Auch hier markieren die Kreuze am oberen Rand die Einzelprofile. Regionen in denen die Temperaturen über dem Nachtmittel liegen sind in gelb/rot dargestellt, Temperaturen unterhalb des Nachtmittels in blau. Man erkennt abwärts laufende Phasenfronten der Schwerewellen, was einer Ausbreitung der Schwerewellen nach oben entspricht. Außdem sieht man, dass über ALOMAR stets eine Vielzahl von Wellen mit unterschiedlichen Parametern beobachtet wird.

Schwerewellen-Energiedichte

Da die einzelnen Schwerewellen nur schwer voneinander getrennt werden können, ist eine Möglichkeit, die Stärke der Schwerewellen für eine einzelne Messung zu bestimmen, die Berechnung der Energiedichte der potentiellen Energie der Wellen pro Masse Epot,M (englisch: Gravity Wave Potential Energy Density):

Hierbei ist g die Erdbeschleunigung, N die Brunt-Väisälä Frequenz und ρ' bzw. T' die Dichte- bzw. Temperaturabweichung vom Nachtmittel. Die mittlere Dichte bzw. Temperatur während der Messung sind mit einem Strich gekennzeichnet. Diese Schwerewellen-Energiedichte pro Masse nimmt für eine ungedämpfte Welle mit der Höhe exponentiell zu, um bei konstanter Energie den Abfall der Luftdichte auszugleichen. Mittels der Schwerewellen-Energiedichte werden dann die jahreszeitlichen Schwankungen der Schwerewellen-Energien aus den Temperatur-Messungen des RMR-Lidars abgeleitet und untersucht.

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Absolute Temperaturen

Abbildung 1: Beispiel der Temperatur-Schwankungen während der RMR-Lidar Messung vom 2./3. Februar 2001 17 UT–05 UT. Die Kreuze am oberen Rand markieren die Einzelprofile.

Temperatur-Abweichungen

Abbildung 2: Beispiel der Temperatur-Abweichungen vom Nachtmittel für die RMR-Lidar Messung vom 2./3. Februar 2001 17 UT–05 UT. Temperaturen die über dem Nachtmittel liegen sind in gelb/rot dargestellt, Temperaturen unterhalb des Nachtmittels in blau. Die Kreuze am oberen Rand markieren die Einzelprofile. Man erkennt abwärts laufende Phasenfronten der Schwerewellen. Dies entspricht einer Ausbreitung der Schwerewellen nach oben.