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FU Berlin
Digitale Dissertation

Kathrin Schöllhammer :
Klimatologie von Schwerewellenaktivität in den mittleren Breiten
Climatology of Gravity Wave Activity in the mid latitudes

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|Zusammenfassung| |Inhaltsverzeichnis| |Ergänzende Angaben|

Zusammenfassung

Diese Arbeit untersucht die Eigenschaften von Schwerewellen, Wellen aus dem kleinräumigen Anteil des Spektrums atmosphärischer Bewegungen. Schwerewellen sind Oszillationen in meteorologischen Parametern wie Temperatur, Windgeschwindigkeit, Druck und Dichte, die sich als Effekt der Schichtung der Luft im Zusammenhang mit der Schwerkraft verstehen lassen. Schwerewellen können sich bis in große Höhen der Atmosphäre ausbreiten und sie treten mit einer Vielzahl möglicher Perioden (Minuten bis Stunden) und horizontalen Wellenlängen (wenigen hundert Kilometern bis hin zu etwa tausend Kilometern) auf. Schwerewellen transportieren Impuls und Energie von ihrem Entstehungsort (z.B. Troposphäre) in andere Höhenregionen z.B. in die Stratosphäre und Mesosphäre und beeinflussen dort die allgemeine Zirkulation der Atmosphäre. Weitgehend unbekannt sind die Charakteristiken von Schwerewellen, die in mittleren Breiten auftreten, aber nicht durch Berge angeregt werden. Es herrscht bislang Unklarheit darüber, wo solche nicht-stationäre Schwerewellen entstehen und wie groß ihr Anteil ist. Das beobachtete Ansteigen von Schwerewellenaktivität in der Nähe von Frontalzonen und "Jetstreams" über dem Ozean [Fritts und Nastrom 1992] ist ein Hinweis darauf, dass auch andere nicht-orographische Quellen einen nicht unerheblichen Anteil an der Schwerewellenaktivität besitzen. Durch systematische Auswertung eines vierjährigen Datensatzes von Radiosondendaten einer Station in den mittleren Breiten (Lindenberg) konnte mit dieser Arbeit ein Beitrag zur Erstellung einer globalen Klimatologie von Schwerewellenaktivität innerhalb der SPARC Gravity Wave Initiative geleistet werden: Es wurde gezeigt, dass die Schwerewellenaktivität in den mittleren Breiten deutlich geringer (Faktor 1/2) als in tropischen Gebieten ist und einen typische Jahresgang (maximaler Schwerewellenaktivität im Winter und minimaler Aktivität im Sommer) besitzt, welcher abhängig vom Hintergrundwind, bzw. von der synoptischen Situation ist. Die beobachteten Schwerewellen breiten sich im Mittel entgegen der meist herrschenden Westströmung aus. Der Anteil der aufwärtsgerichteten Ausbreitungsrichtung der Schwerewellenenergie (Troposphäre 50%, Stratosphäre 80%) deutet auf eine Quelle der Schwerewellen in der oberen Troposphäre hin. Als Quellen für Schwerewellen über Lindenberg kommen aufgrund der Ergebnisse dieser Arbeit Fronten und der "Jetstream" während der Anpassung ageostrophischer Winde an das geostrophische Gleichgewicht ("Geostrophic Adjustment") in Frage. Mehrere in dieser Arbeit durchgeführte Fallstudien zeigten, dass das Auftreten von erhöhten Energiedichten über Lindenberg mit erhöhten Windgeschwindigkeiten in der Tropopausen-Region zusammenfällt und eine markante synoptische Situation vorlag. Damit erscheint als Fazit dieser Arbeit die Anregung von Schwerewellen über Lindenberg durch die Anpassung eines geostrophischen Ungleichgewichtes zu dominieren.

Inhaltsverzeichnis

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Titel
Inhaltsverzeichnis
Einleitung 1
1. Schwerewellen in der Atmosphäre 6
1.1 Der Aufbau der Atmosphäre 6
1.2 Schwerewellen 12
2. Theorie 21
2.1 Dispersionsgleichung für Schwerewellen 22
2.2 Spektraltheorie der Schwerewellen 29
2.3 Parametrisierungsmodell 32
2.3.1 Impulsfluss durch Schwerewellen 34
2.4 Analyseprozeduren 36
2.4.1 Radiosondendaten 36
2.4.2 Spektralanalyse der Temperaturfluktuation 42
2.4.3 Vertikale Ausbreitungsrichtung der Wellen 44
2.3.4 Stokes-Parameter-Analyse 46
2.5 Zusammenfassung 49
3. Ergebnisse 51
3.1 Zustand der Atmosphäre im Beobachtungszeitraum 51
3.2 Variabilität der Schwerewellen 54
3.2.1 Powerspektrum vertikaler Wellenzahlen aus Temperaturfluktuationen 55
3.2.2 Schwerewellenaktivität 61
3.2.3 Anteile kinetischer und potentieller Energie 66
3.2.4 Ausbreitungsrichtung der Wellen 67
3.2.5 Wellenfrequenz 73
3.2.6 Vertikale und horizontale Wellenlänge 74
3.2.7 Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten 77
3.3 Vertikaler Impulsfluss durch Schwerewellen 79
3.4 Zusammenfassung der Parameter 80
3.5 Quellen der Schwerewellenaktivität über Lindenberg 81
3.5.1 Fronten und Schwerewellenaktivität 84
3.5.2 Windgeschwindigkeit und Schwerewellenaktivität 96
3.6 Fallstudien zur Quellen-Identifizierung 99
4. Zusammenfassung und Ausblick 116
4.1 Zusammenfassung 116
4.2 Ausblick 118
Anhang 120
Symbolverzeichnis 133
Literaturverzeichnis 134
Danksagung 142
Lebenslauf 143

Ergänzende Angaben:

Online-Adresse: http://www.diss.fu-berlin.de/2002/284/index.html
Sprache: Deutsch
Keywords: gravity wave activity, non-orographic, geostrophic adjustment
DNB-Sachgruppe: 31 Geowissenschaften
Datum der Disputation: 23-Apr-2002
Entstanden am: Fachbereich Geowissenschaften, Freie Universität Berlin
Erster Gutachter: Prof. Dr. Karin Labitzke
Zweiter Gutachter: Dr. habil. Peter Nevir
Kontakt (Verfasser): schoellh@zedat.fu-berlin.de
Kontakt (Betreuer): labitzke@strat01.met.fu-berlin.de
Abgabedatum:10-Dec-2002
Freigabedatum:12-Dec-2002

 

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