Characterization of Gravity Waves in the Lee of the Southern Andes utilizing an Autonomous Rayleigh Lidar System

Kurzfassung

Die weltweit größten Gebirgswellen werden an den südlichen Anden angeregt, wo sie anschließend vertikal und horizontal ins Lee propagieren und dort in der mittleren Atmosphäre ihren Impuls auf den Grundstrom übertragen. Viele Fragen im Bezug auf Anregung, genaue Ausbreitung, Wechselwirkung und Dissipation dieser Wellen sind immer noch unbeantwortet. Aus diesem Grund wurde im Auftrag des DLR in Río Grande (53, 7◦ S, 67, 7◦ W), Argentinien, ein Rayleigh Lidarsystem installiert, das vertikale Temperaturprofile aufnimmt, um Schwerewellensignaturen zu detektieren. Die Analyse des Lidar-Datensatzes, der automatisiert zwischen November 2017 und Oktober 2020 erhoben wurde, ist der Kern dieser Doktorarbeit. Neu ist hierbei nicht nur die Messung an diesem geographischen Ort, sondern auch die hohe Kadenz der Messungen. Die Messabdeckung von durchschnittlich zwei Messungen innerhalb drei Nächte ermöglicht es einen Temperaturhintergrund zu definieren, der zeitliche Skalen von 9 Tagen bis hin zu einem Jahr und vertikale Skalen ab 15 km abdeckt. Zusätzlich werden tägliche Gezeiten aus den Nachtmessungen des Lidars mit einer neuen Methodik extrahiert, die zur Validierung auch auf Reanalyse Daten des ECMWF angewandt wird. Der Vergleich zeigt gute Übereinstimmungen, wobei die Amplituden der täglichen Gezeit in den Lidardaten in der Mesosphäre größer sind und auch wesentlich stärker variieren als in den Reanalyse Daten. Zudem führt Gezeiten-Aliasing wahrscheinlich zu unerwartet kleinen/großen Amplituden in den jährlichen/halbjährlichen Schwingungen. Die untersuchten Wellenenergien sind die größten, die je in der Stratosphäre gemessen wurden und erreichen ein Sättigungslimit bei 60 km Höhe. Das Erreichen eines Sättigungslimits in derart niedrigen Höhen wurde so bisher nicht beobachtet und lässt darauf schließen, dass Wellen bereits mit sehr großen Amplituden erzeugt werden und auch während der vertikalen Propagation gute Wachstumsbedingungen vorfinden. In Zusammenhang mit der Sättigung steht auch eine beobachtete Abnahme der Schwerewellenintermittenz in der Mesosphäre. Die Entwicklung eines neuen spektralen Werkzeugs hilft bei der Bestimmung von Wellenlängen. Hierbei wird deutlich, dass etwa 50 % der Wellen vertikale Skalen von über 16,5 km aufweisen. Dies ist ein wichtiges Ergebnis, wenn man bedenkt, dass bisherige Lidar-Studien sich meist auf vertikale Wellenlängen <15 km fokussiert haben. In Einzelfällen wird ein Energiezuwachs in der Stratosphäre beobachtet, der das erwartete exponentielle Wachstum übersteigt. Dies könnte ein Hinweis darauf sein, dass die Wellen horizontal durch das Beobachtungsvolumen des Lidars hindurch propagieren. Um die Propagation der Wellen zusammen mit ihrem Anregungsmechanismus zu untersuchen, wurde eine Raytracing-Studie durchgeführt. Es wird zum einen deutlich, dass gemessene Wellenenergien in der mittleren Atmosphäre in erster Linie von den Eigenschaften der Hintergrundatmosphäre abhängen und erst in zweiter Linie von der Stärke der Anregung. Zweitens hat sich herausgestellt, dass die Anregung die Ausbreitungsrichtung der Gebirgswellen definiert. Dreht der Wind mit der Höhe, kommt es verstärkt zu lateraler Ausbreitung teilweise über mehrere 100 km leewärts. Ein horizontaler Windgradient vermag dies durch Drehung des Wellenvektors nicht zu kompensieren. Dies ist ein wichtiges Ergebnis und sollte in zukünftigen Parametrisierungs-Schemata von Klimamodellen berücksichtigt werden.