Saisonale Eigenschaften von Schwerewellen über Kühlungsborn

Wie schon bei der Zielsetzung zu diesem Projekt erläutert, sind vor allem die Stärke der Fluktuationen durch Wellen als auch deren vertikalen Wellenlängen mit den Lidarmessungen der Temperatur zwischen 1 und 105 km gut zu untersuchen. Im Folgenden werden einige Ergebnisse zu diesen beiden Größen vorgestellt.

 

1. Jahresgang der Temperaturfluktuationen

Die Temperaturfluktuationen auf Basis von 3-5 h lassen sich im Jahresgang darstellen (vgl. Abbildung 1). Dabei stellen die Fluktuationen den Mittelwert der Absolutwerte der Abweichungen dar. Um ein durchgängiges Bild zu erhalten, wurden alle 236 Messungen über ±15 Tage und ±2 km geglättet. Unterhalb von 35 km und oberhalb von 95 km sind kaum saisonale Unterschiede zu sehen. Im Bereich dazwischen fällt besonders der große Unterschied zwischen Winter und Sommer auf. Im Winter sind die Werte mehr als doppelt so hoch wie im Sommer. Dagegen sind die Fluktuationen im Frühjahr und Herbst ähnlich und liegen mit ihren Werten zwischen Winter und Sommer.

2. Winter-Sommer-Unterschied

2a Temperaturfluktuationen

Schon im Jahresgang der Temperaturfluktuationen war der Winter-Sommer-Unterschied zu sehen. Um das Amplitudenverhalten in beiden Jahreszeiten genauer zu untersuchen, werden für Winter (November, Dezember, Januar) und Sommer (Juni, Juli) alle zur Verfügung stehenden Messungen von mehr als 3 h Dauer verwendet (siehe Abb. 2). Diese mittleren Temperaturfluktuationen aus jeder Nacht sind als schwarze Linien dargestellt. Die roten Linien stellen den saisonalen Mittelwert und den Varianzbereich dar. Zwischen 38 – 45 km sind die Fluktuationen etwa in der Größenordnung der statistischen Unsicherheit der Messungen und wurden deshalb für die nachfolgende Analyse linear interpoliert. Wie schon im Jahresgang (vgl. Abb. 1) sieht man, dass auch der saisonale Mittelwert der Temperaturfluktuationen zwischen 20 und 90 km im Winter generell größer ist als im Sommer. Das Winter- zu Sommerverhältnis ist somit immer größer als 1 und steigt in der Mesosphäre auf bis zu 2,5 an. Zudem zeigen die Profile im Sommer eine geringere Nacht-zu-Nacht Variabilität als im Winter.

Aufgrund des großen Höhenbereichs sind die vorhandenen Messungen besonders gut geeignet, um die Veränderung der Wellenamplitude mit der Höhe und damit den Einfluss von Wellenbrechung und -filterung zu untersuchen. Dazu werden in der Abbildung die beobachteten Fluktuationen (rote Linie) mit dem theoretisch zu erwartenden Wachstum einer sich ungestört ausbreitenden Welle (grüne Linie) verglichen. Es stellt sich heraus, dass im Winter der Energieverlust mehr oder weniger gleichmäßig über alle Höhen oberhalb von 45 km stattfindet. Im Sommer ist dagegen vor allem um 90 km starke Wellendämpfung zu erkennen. Diese entsteht durch die starke Änderung des Temperaturgradienten an der Mesopause und die damit verbundene große Veränderung der statischen Stabilität in der Atmosphäre. Außerdem gibt es im Sommer aber auch zwei ausgedehnte Höhenbereiche (20 – 40 km und 76 – 89 km) mit quasi ungestörter Wellenausbreitung. Dies zeigt deutlich die unterschiedliche Filterung und Dämpfung der Wellen im Sommer und Winter. 

Als weitere Ursache für den Winter-Sommer-Unterschied in den Temperaturfluktuationen hat sich herausgestellt, dass neben der unterschiedlichen Filterung und Brechung der Wellen auch die unterschiedlichen Temperatur- und Dichte-Hintergrundfelder eine entscheidende Rolle spielen.

2b vertikale Wellenlängen

Neben den Temperaturfluktuationen sind die vertikalen Wellenlängen eine wichtige Eigenschaft der untersuchten Wellen. Mit Hilfe von Wavelet-Spektren wurden bis zu 3 dominierende vertikale Wellenlängen in jeder Höhe ermittelt. In Abbildung 3 ist die Häufigkeit der verschiedenen dominierenden vertikalen Wellenlängen im Höhenbereich 40 bis 60 km dargestellt. Es ergeben sich keine großen Unterschiede zwischen Winter und Sommer. Für beide Jahreszeiten sind die kürzeren vertikalen Wellenlängen (< 22 km) häufiger vorhanden als längere. Es ist davon auszugehen, dass diese kürzeren vertikalen Wellenlängen vor allem mit Schwerewellen in Verbindung zu bringen sind. Bei den längeren vertikalen Wellenlängen sind auch Gezeiten eine mögliche Ursache.

Temperaturfluktuationen

Abbildung 1: Jahresgang der Temperaturfluktuationen aller Messungen eingeschränkt auf 3-5 h Dauer mit einer Glättung von ±15 Tagen und ±2 km

Mittlere Temperaturfluktuationen

Abbildung 2: Mittlere Temperaturfluktuationen für alle verfügbaren a) Winter- und b) Sommermessungen. Die rote Linie mit den Varianzbalken gibt jeweils den Mittelwert und die Standardabweichung der Saison an. Die grünen Linien zeigen ein ungestörtes, exponentielles Amplituden-Wachstum an mit exp (z/2H), H =7 km.

vertikale Wellenlängen

Abbildung 3: Verteilung der dominierenden vertikalen Wellenlängen zwischen 40 und 60 km für a) Winter und b) Sommer. Im schraffierten Bereich ist eine genaue Bestimmung der vertikalen Wellenlängen nicht möglich.