Simultane Wind- und Temperaturmessungen mit Lidar

Der instrumentelle Aufbau des ALOMAR RMR-Lidars ermöglicht gleichzeitige Wind- und Temperaturmessungen in der mittleren Atmosphäre. Für die Temperaturbestimmung wird das gemessene Höhenprofil des Rückstreusignals in ein Profil der Luftdichte überführt, aus dem ein Temperaturprofil berechnet werden kann. Das Prinzip der Windmessung beruht auf der Vermessung der Doppler-Verschiebung, die Licht erfährt, das an sich bewegenden Luftteilchen rückgestreut wird. Die Methode nutzt eine steile Flanke einer Absorptionslinie molekularen Iods um kleine Frequenzänderungen des rückgestreuten Lichts aufzulösen. Während Temperaturen schon seit 1997 routinemäßig mit dem ALOMAR RMR-Lidar gemessen werden, gibt es Windmessungen erst seit 2009.

Zur Untersuchung von Schwerewellen, deren Perioden einige Stunden betragen, bedarf es vor allem langer, kontinuierlicher Messungen. Die Dauer einer Lidar-Messung ist jedoch meist durch Wetterbedingungen begrenzt. Im Januar 2012 konnte das ALOMAR RMR-Lidar durchgängig für knapp 60 Stunden betrieben werden. Während dieser Messung konnten deutlich ausgeprägte Wellenstrukturen in den Temperatur- und Winddaten beobachtet werden.

Die Abbildung zeigt Zeit-Höhen-Schnitte der Schwankungen von Temperatur und Zonalwind im Höhenbereich von 30 bis knapp 80 km während der knapp 60-stündigen Messung im Januar 2012. Die geringere Höhenabdeckung zwischen etwa 8 und 15 Uhr ist darin begründet, dass Tageslicht Lidarmessungen beeinträchtigt. Im Verlauf des letzten Tages war die Messung durch Wolken beeinflusst. Nichtsdestotrotz ist dies die erste Messung von Schwerewellen in Temperatur und Wind über einen so großen Höhenbereich und so langen Zeitraum. Die Schwankungen in Temperatur und Wind weisen ähnliche Wellenstrukturen auf. Es gibt aber einen gewissen Zeit- und Höhenversatz zwischen Maxima in den Temperatur- und Windstörungen. Außerdem sind die Phasen der Temperaturstörung meist etwas steiler. Die beobachtete Periode der Wellenstrukturen beträgt etwa 10 bis 17 h. Die tatsächliche, intrinsische, Periode der Schwerewellen ist aber kürzer: Da die Wellenstruktur durch den Hintergrundwind transportiert wird, ist ihre Periode verschoben (Doppler-Effekt). Die intrinsische Periode kann daher nur bestimmt werden, wenn der Hintergrundwind bekannt ist; sie beträgt etwa 6 bis 11 h. Obwohl einige Wellenstrukturen prominent hervorstechen, zeigt sich doch, dass die beobachteten Temperatur- und Windschwankungen aus der Überlagerung mehrerer verschiedener Wellen resultieren, es sich also um ein Ensemble an Schwerewellen handelt.

Die Energie einer Schwerewelle ist aufgeteilt in ihre potentielle Energie, die sich in Temperaturschwankungen manifestiert, und ihre kinetische Energie, die durch Schwankungen in der Windgeschwindigkeit bestimmt ist. Beide hängen unterschiedlich stark von der intrinsischen Periode der Schwerewelle ab. Aus der gleichzeitigen Messung von Wind- und Temperaturschwankungen mit gleicher räumlicher und zeitlicher Auflösung kann folglich die intrinsische Periode des Schwerewellen-Ensembles abgeschätzt werden. Die Abbildung zeigt die potentielle, kinetische und totale Schwerewellenenergidichte und das Verhältnis von kinetischer zu potentieller Energiedichte. Wie erwartet, nimmt die Energiedichte exponentiell mit der Höhe zu. Die Abnahme des Verhältnisses von kinetischer zu potentieller Energiedichte entspricht einer Abnahme der intrinsischen Periode des Schwerewellen-Ensembles von etwa 12,3 h auf etwa 11,1 h. Das deutet darauf hin, dass in höheren Höhen Schwankungen mit kleineren Skalen einen größeren Anteil am Schwerewellen-Ensemble haben.

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Dr. Jens Hildebrand