Utilizing airborne lidar observations for the exploration of gravity waves in the middle atmosphere

Kurzfassung

Das flugzeuggetragene Lidar ALIMA „Airborne Lidar for Middle Atmosphere research“ wurde erstmals während der Kampagne „Southern Hemisphere Transport, Dynamics, and Chemistry – Gravity Waves“ im September 2019 eingesetzt zur Untersuchung von Schwerewellen in der mittleren Atmosphäre. Die Dissertation prüft die Hypothese, dass flugzeuggetragene Lidar-Beobachtungen gut geeignet sind, um Schwerewellen in der mittleren Atmosphäre zu erforschen und analysiert die flugzeuggetragene Beobachtungen von ALIMA. Beobachtungen von sechs nächtlichen Forschungsflügen in der Nähe der Südanden, der Drake-Passage und der Antarktischen Halbinsel werden ausgewertet, ebenso wie Daten von der ECMWF Reanalyse v5 und idealisierte Simulationen. Die flugzeuggetragene Operation von ALIMA ermöglicht die Untersuchung von horizontalen Skalen von Schwerewellen. Um die Beobachtungen von ALIMA spektral auswerten zu können, ist es zunächst notwendig, Fehler und Unsicherheiten in den Beobachtungen und der Datenverarbeitung zu bestimmen, sowie die dynamische Situation während den Beobachtungen zu charakterisieren. Die Dissertation zeigt, dass ALIMA eine Genauigkeit von ± 1 K und eine Präzision von 1 K bis 6 K bei der Temperaturmessungen erreicht, die hauptsächlich von der Höhe abhängen. Beiträge durch Photonenrauschen, Hintergrundphotonen, atmosphärischer Transmission und die Temperaturbestimmung aus Photonendaten werden mithilfe zusätzlicher Lidar-Simulationen getestet. Der Vergleich von hochaufgelösten idealisierten Simualtionen mit den Ergebnissen des Temperatur Retrievals zeigt, das die grundlegende Annahme eines hydrostatischen Gleichgewichts in Präzens von nicht hydrostatischen Schwerewellen nicht erfüllt ist und zu einer Unterschätzung der Temperaturstörungen von 5 % bis 20 % führt. Tierra del Fuego wird als Hauptanregungsregion von orographischen Schwerewellen im September 2019 identifiziert, aufgrund der Verschiebung des Polarfrontjets weiter Richtung Südpol als üblich. Die Schwerewellenaktivität wird um den stratosphärischen Polarwirbel herum charakterisiert, der stark von der Stratosphärenerwärmung in südlichen Hemisphäre im Jahr 2019 beeinflusst wird. Somit ist keine deutliche Beziehung zwischen der Schwerewellenaktivität und den starken Winden am Rand des stratosphärischen Polarwirbels erkennbar. Erstmalig werden horizontale Wellenzahlspektren aus dem gesamten Höhenbereich der Stratosphäre und Mesosphäre präsentiert, abgeleitet aus den flugzeuggetragenen Lidar-Beobachtungen. Die horizontalen Wellenzahlspektren deuten auf eine Abhängigkeit der horizontalen Skalen hin, die in der mittleren Atmosphäre einer Potenzgesetzfunktion mit Exponent −5/3 folgt und die teilweise von der Stratosphärenerwärmung in 2019 beeinflusst wird. Die spektrale Energie reduzierte sich um 25 % in der Mesosphäre aufgrund von reduzierter Schwerewellenaktivität.