1. Einleitung ................................................... 1
2. Grundzüge der Dynamik in der Atmosphäre ...................... 7
2.1. Variabilität der Atmosphäre: Wellen
und ihre Auswirkungen ................................... 8
2.1.1. Schwerewellen .................................... 9
2.1.2. Planetare Wellen ................................ 14
2.2. Ruhige Schichten ....................................... 22
3. Messtechniken ............................................... 27
3.1. Raketen ................................................ 29
3.2. Weitere Messmethoden ................................... 36
3.2.1. Radiosonden ..................................... 36
3.2.2. Lidar und Radar ................................. 37
3.2.3. GRIPS - Infrarot Spektrometer ................... 39
3.2.4. Satelliten ...................................... 40
4. Analyseverfahren ............................................ 43
4.1. Trendanalyse und Enttrendung ........................... 45
4.2. Spektralanalysen: Waveletanalyse, MEM und HA ........... 48
5. Datenbasis .................................................. 55
5.1. DYANA-Kampagne ......................................... 56
5.2. ERA-40 ................................................. 64
6. Ergebnisse und Diskussion ................................... 67
6.1. Dynamische und konvektive Instabilität von
Schwerewellen .......................................... 68
6.1.1. Wellenleiter in der Atmosphäre .................. 68
6.1.2. Wandernde Schichten konvektiver
Instabilität? ................................... 80
6.2. Planetare Wellen ....................................... 96
6.2.1. Analyse kurzperiodischer Oszillationen .......... 96
6.2.2. Resonante Wechselwirkungen ..................... 103
6.3. Ruhige Schichten ...................................... 119
7. Zusammenfassung ............................................ 137
Anhang ........................................................ 145
A. Ergänzungen zu Kapitel 2.1 ................................. 145
A.l. Allgemeine Herleitung von atmosphärischen
Wellen ................................................ 145
A.2. Wirbelstärke und Stromfunktion ........................ 151
A.3. Houghfunktionen ....................................... 153
B. Kriterien zur Ordnungsbestimmung eines AR-Prozesses ........ 155
C. Genauigkeit der Temperaturwerte von Datensonden und
Fallenden Kugeln ........................................... 156
D. Berechnete Temperaturgradienten ............................ 157
Literaturverzeichnis .......................................... 159
Danksagung .................................................... 171
Lebenslauf .................................................... 173
Abbildungsverzeichnis
2.1. Winkel der Wellenfront einer Schwerewelle
relativ zur Vertikalen .................................... 12
2.2. Schematische Darstellung der wesentlichen
Parameter einer Schwerewelle .............................. 12
2.3. Trajektorie eines zonal ausgelenkten
Luftpakets sowie Verhalten der relativen
Wirbelstärke .............................................. 14
2.4. Ozonsäule (METOP-A/GOME2, assimiliert
durch ROSE/DLR) am 30. September 2007 ..................... 18
2.5. Ozonsäule (METOP-A/GOME2, assimiliert
durch ROSE/DLR) am 16. Februar 2008 ....................... 18
2.6. Skizzierte Verteilung der Windmaxima und - minima
abhängig von der Jahreszeit .......................... 24
2.7. Ruhige Schicht als Folge der Modulation einer
planetaren Welle .......................................... 24
3.1. Prinzip der Fallenden Kugel ............................... 30
3.2. Prinzip der Chaffmessung .................................. 30
3.3. Fotografie einer Datensonde im Dart (links)
und eines 12A-Darts (rechts) .............................. 33
3.4. OH*-Spektrum von Grips 4 .................................. 40
4.1. Vom Hintergrundwindfeld überlagerte
Schwerewelle .............................................. 45
4.2. Nyquist-Frequenz .......................................... 46
4.3. Daubechies-Wavelet der Ordnung 4 .......................... 50
4.4. Morlet-Wavelet ............................................ 50
5.1. Verlauf der Temperatur von DAS04 .......................... 58
5.2. Waveletanalyse der Temperaturwerte von DAS04 .............. 58
5.3. Verlauf der Temperatur von DAS12 .......................... 59
5.4. Durchschnittliches absolutes Residuum von DAS06 ........... 60
5.5. Durchschnittliches absolutes Residuum von DAS49 ........... 60
5.6. Spline durch die Daten der Fallenden Kugel DAS15
mit (a) zwei und (b) drei Stützstellen .................... 60
6.1. Skizzierte theoretische Gegenüberstellung des
Verlaufs des zonalen Windes (schwarz) und der
zugehörigen Energiedissipationsraten (grau) ............... 68
6.2. Vergleich der Energiedissipationsraten
abgeschätzt nach Weinstock (1980)
und Lübken et al. (1994b) ................................. 71
6.3. Vergleich der durchschnittlichen
Energiedissipationsraten nach Lübken et al.
(1994b) und Weinstock (1980) .............................. 73
6.4. Gegenüberstellung der vertikalen
Windprofile (zonale Komponente) und
der Energiedissipationsraten .............................. 76
6.5. Durchschnittlicher zonaler Wind im Zeitraum
12.1.1990 - 10.2.1990 über Andoya
(69°N, 16°0) .............................................. 80
6.6. Abhängigkeit der instabilen Schicht von
Zeit und Höhe ............................................. 81
6.7. Verlauf der QBO ........................................... 83
6.8. Waveletanalyse des enttrendeten Fluges DAS79 .............. 84
6.9. Waveletanalyse des enttrendeten Fluges DAS04 .............. 84
6.10.Profil und zugehörige Waveletanalyse des
Fluges DAS68 .............................................. 84
6.11.Kritische Höhe kurzer vertikaler Wellenlängen
(≈ 3-7km) gegen die Zeit .................................. 86
6.12.Gegenüberstellung des Quotienten von A70,10
und A65,10 (schwarz) und der simulierten Daten
(grau) für den Januar 1990 ................................ 89
6.13.Gegenüberstellung der Flächendifferenz A70
und A65 in der Mesosphäre und der stratosphärischen
Amplitude der planetaren Welle 1 und 2 .................... 90
6.14.Gegenüberstellung der kritischen Höhe,
der Flächendifferenz A70 — A65 und der Lage des
zonalen Windminimums bzw. -nulldurchgangs für
Januar 1990 ............................................... 90
6.15.Spektrale Analyse (HA) der Temperaturwerte
der enttrendeten Fallenden Kugeln und Datensonden ......... 98
6.16.Analog zu Abbildung 6.15, aber kleinste
Periodendauer vier Tage ................................... 98
6.17.Analog zu Abbildung 6.16, aber vier angepasste
Schwingungen .............................................. 98
6.18.Anpassung von vier Schwingungen an die
enttrendeten Raketendaten mit-hilfe der
Harmonischen Analyse ..................................... 100
6.19.Hovmöller-Diagramm, Höhenstufe 10
(38km Höhe) .............................................. 104
6.20.Beispiele der Houghfunktionen der planetaren
Welle 1 .................................................. 106
6.21.Entwicklung der Residuen relativ zum
Temperaturmittelwert des Längenkreises 15°O .............. 106
6.22.Phasenverlauf der planetaren Welle 2 ermittelt
mithilfe der Harmonischen Analyse der ERA-40-Daten
(Höhenstufe 10) ........................................... 109
6.23.Gegenüberstellung des Phasen- und
Amplitudenverlaufs der planetaren Wellen
2 im Januar und Februar 1990 ............................. 111
6.24.Gegenüberstellung der erklärten Varianz
und der durchschnittlichen zonalen bzw.
meridionalen Windgeschwindigkeit ......................... 120
6.25.Temperaturdifferenz zwischen 70°N und 60°N für
Höhenstufen 1, 2, 3, 8, 9 und 11 ......................... 122
6.26.Durchschnittliche Phase und Amplitude der
4d-Schwingung im gesamten Höhenbereich ................... 123
6.27.Absolute Temperaturvariationen entlang 60°N und
70°N ..................................................... 126
6.28.Ruhige Schichten im Ozon ................................. 128
6.29.Berechnung der Vertrauensintervalle bei der
Harmonischen Analyse ..................................... 130
6.30.Standardabweichungen bzgl. des Temperaturwertes
bei 70°N, 15°0 ........................................... 134
6.31.Berechnung des Abstands eines Gitterpunktes von
70°N, 15°O ............................................... 135
7.1. Temperaturdifferenz zwischen 70°N und 60°N für
Level 4, 5, 6, 7,10 und 12 ............................... 157
7.2. Temperaturdifferenz zwischen 70°N und 60°N für
Level 13,14,15 und 16 .................................... 158
Tabellenverzeichnis
5.1. Zeitliche Abfolge, Bezeichnung und erreichte
Höhen der Chaffmessungen (DBC) und der Messungen
Fallender Kugeln (DBS) über Biscarrosse ................... 56
5.2. Zeitliche Abfolge und Bezeichnung der Fallenden
Kugeln (DAS) und Datensonden (DAD) über Andoya ............ 61
5.3. Anzahl der zur Enttrendung verwendeten Stützstellen
sowie zu untersuchendes Höhenintervall der Fallenden
Kugeln (DAS) und Datensonden (DAD) über Andoya ............ 62
5.4. Zeitliche Abfolge der verwendeten TURBO-Experimente
über Andoya ............................................... 63
6.1. Simulation der integrierten spektralen Massen
A70 und A65 unter Annahme einer
gleichmäßig absinkenden instabilen Schicht ................ 87
6.2. Ausschnitt der Ergebnisse der Harmonischen Analyse
für Höhenstufe 10 (etwa 38km Höhe) ....................... 105
6.3. Wellenzahlen und Periodendauern der planetaren
Wellen (ERA-40- und DYANA-Daten) sowie
Literaturangaben ......................................... 114
6.4. Zusammenfassung der bisherigen Ergebnisse zur
Lage ruhiger Schichten ................................... 124
7.1. Genauigkeit der von Datensonden und Fallenden
Kugeln gemessenen Tem peratur ............................ 156
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