IAP Kühlungsborn
Leibniz-Gemeinschaft

Atmosphärische Wellen und ihre Rolle bei Kopplungsprozessen

Atmosphärische Wellen sind Luftbewegungen in der Erdatmosphäre auf unterschiedlichen räumlichen (Meter bis tausende Kilometer) und zeitlichen Skalen (Minuten bis Wochen). Sie können Wind-, Dichte-, Druck- und Temperaturfelder beeinflussen und als Fluktuationen dieser Parameter identifiziert werden. Wellen werden vorrangig in der Tropo- und Stratosphäre angeregt und breiten sich sowohl vertikal als auch horizontal aus. Bei ihrer Ausbreitung transportieren Wellen Energie und Impuls von ihren Quellregionen durch die Atmosphäre und können sich unter bestimmten Bedingungen auflösen. Beim Wellenbrechen werden Energie und Impuls auf die Hintergrundatmosphäre übertragen, so dass atmosphärische Wellen entscheidend zur Kopplung unterschiedlicher atmosphärischer Schichten beitragen.

Die wichtigsten Wellentypen, die vom IAP wissenschaftlich untersucht werden, sind planetare Rossbywellen, Gezeiten und Schwerewellen. Während Schwerewellen nur von lokaler/regionaler Größe sind, haben die beiden anderen Wellentypen globale Abmessungen. Planetare Rossbywellen haben als Erhaltungsgröße die Breitenvariation der Corioliskraft. Gezeiten umfassen hauptsächlich thermisch angeregte solare Gezeiten, die durch differentielle solare Erwärmung erzeugt werden, sowie gravitativ bedingte lunare Gezeiten. Schwerewellen werden durch das Gleichgewicht zwischen Auftriebs- und Schwerkraft erhalten und existieren nur in einer stabil geschichteten Atmosphäre. Die Untersuchung der Eigenschaften, Ausbreitung und Auswirkungen dieser Wellen auf den Hintergrund erfolgt unter Nutzung lokaler Radarsysteme (MAARSY, MF), regionaler Systeme (MMARIA), sowie lokaler und regionaler optischer Systeme und globaler Satellitenbeobachtungen (z.B. TIMED-SABER). Desweiteren werden globale reanalayse Modelldaten (z.B. ECMWF, MERRA2) und globale Zirkulationsmodelle (z.B. KMCM, WACCM-X, HAMMONIA) genutzt.

Vertikale Kopplung

Von speziellem Interesse in unserer Abteilung ist die Untersuchung der Kopplungsprozesse, welche mit plötzlichen Stratosphärenerwärmungen (sudden stratospheric warmings, SSW) assoziiert werden. Während des Winters werden in polaren Breiten aufgrund des horizontalen thermischen Gradienten der Land-See-Verteilung PW erzeugt. Diese PW können mit dem Polarwirbel interagieren, wodurch die Stratosphäre recht schnell erwärmt werden kann. SSWs beeinflussen die Neutralgas- und Plasmaeigenschaften, wie z.B. die Neutralgasdichte und Zusammensetzung, Temperatur, Wind, Plasmadichte und elektrischer Strom, der oberen Atmosphäre.

Konventionelle, monostatische Beobachtungen erlauben es lediglich die Wellen nach ihrer Periode zu untersuchen, wobei die räumlichen Skalen nicht analysiert werden können. In einer Reihe von Arbeiten, haben wir die Beobachtungen von verschiedenen, longitudinal-separierten Beobachtungsorten kombiniert, um die räumlichen Skalen der Wellen, während SSW, zu bestimmen. Die Abbildung 3 fasst die Erkenntnisse dieser Analyse zusammen. Durch die Bestimmung der zonalen Wellenzahl, sind wir in der Lage Wellen mit der gleichen Periode aber unterschiedlicher räumlicher Verteilung zu unterscheiden (z.B. die lunare Gezeit und eine Sekundärwelle, erzeugt durch PW-Gezeiten-Wechselwirkung, He et al., 2018a, 2018b). So konnten im Vergleich zu monostatischen Beobachtungen einige Wellen widerlegt (disprove, z.B. zwei halbtägige, solare, nicht-migrierende Gezeiten, He & Chau 2019) und neue Wellen entdeckt werden (detected, z.B. vierstündige, migrierende Gezeit, He et al., 2020a.

Die Kopplungsprozesse während SSWs wurde im Weiteren auch in Bezug auf die nichtlineare Wechselwirkung von Gezeiten und PW (He et al., 2017), in Verbindung mit dem Polarwirbel in mesosphärischen Höhen (Conte et al., 2019) und der interhemisphärischen meridionalen Zirkulation (Laskar et al., 2019) untersucht.

Veröffentlichungen

  • He, M., Yamazaki, Y., Hoffmann, P., Hall, C. M., Tsutsumi, M., Li, G., & Chau, J. L. (). Zonal wavenumber diagnosis of Rossby‐wave‐like oscillations using paired ground‐based radars. , J. Geophys. Res., 125, doi:e2019JD031599, 2020b.
  • He, M., Forbes, J. M., Chau, J. L., Li, G., Wan, W., & Korotyshkin, D. V. ( 2020). High‐order solar migrating tides quench at SSW onsets. Geophys. Res. Lett, 47, e2019GL086778, doi:10.1029/2019GL086778, 2020a 
  • J. F. Conte, J. L. Chau and D. H. W. Peters, Middle and high latitude mesosphere and lower thermosphere mean winds and tides in response to strong Polar-night jet oscillations, J. Geophys. Res., 124, 9262-9276, doi:10.1029/2019JD030828, 2019.
  • M. He and J. L. Chau, Mesospheric semidiurnal tides and near-12 h waves through jointly analyzing observations of five specular meteor radars from three longitudinal sectors at boreal midlatitudes, Atmos. Chem. Phys., 19, 5993-6006, doi:10.5194/acp-19-5993-2019, 2019.
  • F. I. Laskar, J. P. McCormack, J. L. Chau, D. Pallamraju, P. Hoffmann and R. P. Singh, Interhemispheric meridional circulation during sudden stratospheric warming, J. Geophys. Res., 124, 7112-7122, doi:10.1029/2018JA026424, 2019.
  • S. Wilhelm, G. Stober and P. Brown, Climatologies and long-term changes of mesospheric wind and wave measurements based on radar observations at high and mid latitudes, Ann. Geophys., 37, 851-875, doi:10.5194/angeo-37-851-2019, 2019.
  • J. F. Conte, J. L. Chau, F. I. Laskar, G. Stober, H. Schmidt and P. Brown, Semidiurnal solar tide differences between fall and spring transition times in the northern hemisphere, Ann. Geophys., 36, 999-1008, doi:10.5194/angeo-36-999-2018, 2018.
  • M. He, J. L. Chau, G. Stober, G. Li, B. Ning and P. Hoffmann, Relations between semidiurnal tidal variants through diagnosing the zonal wavenumber using a phase differencing technique based on two ground-based detectors, J. Geophys. Res., 123, 4015-4026, doi:10.1002/2018JD028400, 2018.
  • M. He, J. L. Chau, C. M. Hall, M. Tsutsumi, C. Meek und P. Hoffmann, The 16-day planetary wave triggers the SW1-tidal-like signatures during 2009 sudden stratospheric warming, Geophys. Res. Lett., 45, 12631-12638, doi:10.1029/2018GL079798, 2018.

Ausgewählte Veröffentlichungen

Zugehörige Radare