Jahreszeitliche Variation der thermischen Struktur über ALOMAR

Einzelprofile und Monatsmittel der Temperatur

Mit dem ALOMAR Rayleigh/Mie/Raman (RMR-)Lidar können im aerosolfreien Teil der mittleren Atmosphäre oberhalb von 30 km Temperaturen abgeleitet werden. Die obere Grenze liegt bei 85–90 km für Nachtmessungen im Winter und in den Übergangs-Jahreszeiten. In den Sommermonaten führt die Mitternachtssonne zu einem erhöhten Untergrund durch gestreutes Sonnenlicht und damit zu einer Absenkung der Maximalhöhe auf 65–70 km.

Abbildung 1 zeigt 834 Temperaturprofile aus Messungen von mindestens zwei Stunden Dauer in den Jahren 1997–2005 sortiert nach Monaten in grau. Zusätzlich sind die Monatsmittel in grün eingezeichnet sowie die Referenzatmosphären CIRA86, NRLMSISE-00, Lübken 1999 und Lübken & von Zahn 1991.

Die Variabilität der Temperaturen liegt im Sommer in allen Höhen unter 20 K, während die Temperaturen im Winter je nach Höhe um bis zu 100 K schwanken. Die Hauptursache für diese unterschiedliche Variabilität sind planetare Wellen aus der unteren Atmosphäre, die sich nur im Winter bei Westwind in die mittlere Atmosphäre ausbreiten können.

Jahreszeitliche Variationen der Temperatur

Die jahreszeitliche Variation der Temperatur in der mittleren Atmosphäre ist in Abbildung 2 gezeigt. Hierfür wurden die 834 Messungen aus den Jahren 1997–2005 nach Tagen sortiert gemittelt sowie mit einem gleitenden Mittel über 15 Tage geglättet. Die schwarzen Balken am oberen Rand geben die Anzahl der Messungen pro Tag an. Deutlich sichtbar ist auch die geringere Höhenabdeckung im Sommer durch den erhöhten solaren Untergrund.

An der Stratopause bei etwa 50 km sieht man den erwarteten Jahresgang mit einem Maximum im Sommer. In diesen Höhen wird die Temperaturstruktur von Absorption solarer UV-Strahlung durch Ozon dominiert. Da die solare Einstrahlung im Sommer bei Mitternachtssonne maximal und im Winter bei Polarnacht überhaupt nicht vorhanden ist, führt dies zu einer Temperatur-Maximum im Sommer. Allerdings zeigen sich auch in den Wintermonaten kleinere Maxima, die durch stratosphärische Erwärmungen verursacht werden. Unterhalb der Stratopause nimmt die Temperatur ab bis in die untere Stratosphäre. Nach oben nimmt die Temperatur ebenfalls ab bis zur Mesopausenregion.

Kombination von Messungen mit RMR-Lidar und meteorologischen Raketen und ECMWF-Analysen

Die Messungen des ALOMAR Rayleigh/Mie/Raman (RMR-)Lidar können in der Mesopausenregion und mittleren Mesosphäre ergänzt werden durch Messungen mit meteorologischen Raketen. Mit diesen können auch bei Tageslicht in der gesamten Mesosphäre Temperatur-Profile abgeleitet werden. Unterhalb von 30 km stehen operationelle Analysen des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF) bereit zur Ergänzung der RMR-Lidar Messungen.

Durch Kombination dieser drei Datensätze ergibt sich eine durchgehende Temperatur-Klimatologie für 69°N über ALOMAR vom Boden bis in 85 km Höhe im Winter und bis in 92 km Höhe im Sommer, die in Abbildung 3 gezeigt ist. In den Messungen mit meteorologischen Raketen von Lübken 1999 wird die sehr kalte Sommermesopause sichtbar, die bis zu 90 K kälter als die Strahlungsgleichgewichts-Temperatur ist. Gleichzeitig sieht man in dieser Abbildung, dass die einzelnen Datensätze an den Übergängen sehr gut zusammenpassen. Die noch vorhandenen Unterschiede werden im Vergleich der RMR-Lidar Temperaturen mit Referenzatmosphären und ECMWF-Analysen untersucht.

Temperaturprofile

Abbildung 1: Einzelprofile der Temperatur über ALOMAR aus RMR-Lidar Messungen in den Jahren 1997–2005 (grau), Monatsmittel (grün) und verschiedene Referenzatmosphären.

Temperaturstruktur

Abbildung 2: Temperaturstruktur zwischen 30 km und 85 km Höhe über ALOMAR aus RMR-Lidar Messungen in den Jahren 1997–2005 (geglättet mit einem 15-Tage Mittel). Die schwarzen Balken am oberen Rand geben die Anzahl der Messungen pro Tag an.

Temperaturstruktur

Abbildung 3: Temperaturstruktur vom Boden bis 90 km Höhe über ALOMAR aus Messungen mit dem RMR-Lidar und fallenden Kugeln (in den Sommermonaten) sowie aus Analysen des operationellen ECMWF-Modells für die Jahre 1997–2005.