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Using MTP measurements to characterise atmospheric gravity waves in the tropopause region
Using MTP measurements to characterise atmospheric gravity waves in the tropopause region
Atmosphärische Schwerewellen, die nahe am Erdboden angeregt werden, können weit in die Atmosphäre propagieren. Wenn sie brechen, übertragen sie ihre Energie und ihren Impuls an die Hintergrundströmung und treiben damit die globale Zirkulation der mittleren Atmosphäre. Um das Verständnis über die Entstehung und Ausbreitung von Schwerewellen durch die Atmosphäre weiter zu vergrößern, werden u.a. Messkampagnen mit Forschungsflugzeugen durchgeführt, bei denen besonders die Tropopausen-Region im Fokus steht. Diese ist als Barriere für die Ausbreitung von Schwerewellen in größere Höhen bekannt. Mit Hilfe eines passiven Mikrowellenradiometers, dem Microwave Temperature Profiler (MTP), können vom Flugzeug aus Temperaturmessungen sowohl ober- als auch unterhalb der aktuellen Flughöhe gemacht werden. Da atmosphärische Schwerewellen Temperaturschwankungen hervorrufen, bieten die Messungen des MTP eine gute Möglichkeit Schwerewellen direkt messen und charakterisieren zu können. In der folgenden Arbeit wird untersucht, welche Temperaturfluktuationen vom MTP erfasst werden können und wie gut die Eigenschaften von Schwerewellen, wie ihre horizontale und vertikale Wellenzahl und die intrinsische Frequenz, aus den Temperaturdaten des MTP abgeleitet werden können. Hierzu wird eine Kalibrationsmessung im Labor ausgewertet, um die Detektionsgrenze für Temperaturstörungen festlegen zu können. Des Weiteren wird mit Hilfe von Strahlungstransportsimulationen bestimmt, über welchen Bereich der Atmosphäre Informationen in den MTP-Daten enthalten sind. Es wird gezeigt, dass das MTP atmosphärische Temperaturen mit einer Präzision von 0,37 K messen kann, und eine Analyse von Welleneigenschaften für Temperaturfluktuationen von mindestens 1,5 K Amplitude möglich ist. Das MTP kann über einen Bereich von 2-3 km um die Flughöhe Informationen über die potentielle Temperatur, die Stabilität der Schichtung der Luftmassen, sowie dort auftretende Wellen sammeln. Um Schwerewellen charakterisieren zu können, wurde ein neuer Algorithmus zur Auswertung der aus den MTP-Daten abgeleiteten Tempeaturprofilen entwickelt. In dieser Arbeit wird der Algorithmus vorgestellt und seine Kapazitäten in der Erkennung von Wellen-Eigenschaften in MTP-Daten in einer Studie mit synthetischen Daten getestet. Es wird gezeigt, dass die vertikale Wellenlänge und intrinsische Frequenz mit einer Unsicherheit von maximal 30 % bestimmt werden können. Mit Hilfe von MTP-Daten ist es damit möglich, die Bedingungen für Wellen-Ausbreitung innerhalb der Tropopausen-Region zu bewerten. Schließlich wird der neue Algorithmus benutzt, um Messdaten der DEEPWAVEKampagne, die 2014 in Neuseeland stattfand, auszuwerten. Hier zeigt die Auswertung der MTP-Daten, dass auf Flug-Niveau gemessene Impulsflüsse nicht immer bis zur Stratosphäre gelangen. Die Messungen des MTP bieten einen einzigartigen und wichtigen Einblick in die vorherrschenden Bedingungen für Wellenausbreitung durch die Tropopausenregion., Atmospheric gravity waves, which have sources close to the Earth’s surface, can propagate deep into the atmosphere. When these waves break, the energy and momentum they carry is transferred to the background wind. Thus, they drive the global circulation within the middle atmosphere. As one approach to enhance the understanding of the source processes and the propagation of gravity waves through the atmosphere, measurement campaigns with research aircraft have been conducted, which focus on the troposphere region. This region is known to be a barrier for propagation of gravity waves into higher altitudes. With the help of a passive microwave radiometer, the Microwave Temperature Profiler (MTP), measurements of temperature, both, above and below the aircraft can be conducted. As atmospheric gravity waves cause temperature fluctuations, the MTP provides the possibility to directly measure and characterise gravity waves. In the following thesis it will be assessed, which temperature fluctuation signals can be resolved by the MTP instrument and how well characteristics of gravity waves, such as their horizontal and vertical wavenumbers and the intrinsic frequency, can be derived. Calibration measurements in a laboratory will be analysed to define the lower threshold of detectable temperature fluctuation amplitudes. Moreover, radiative transfer calculations will be carried out to investigate which part of the atmosphere the MTP measurements are sensitive to. It will be shown that the MTP is able to measure atmospheric temperatures with a precision of 0:37 K, and that an analysis of wave characteristics is possible from temperature fluctuations with amplitudes of at least 1:5 K. The MTP is sensitive to a vertical altitude region of 2-3 km around the research aircraft, and is able to collect information on the potential temperatures and static stability of the air masses surrounding the aircraft, as well as on gravity waves within this region. To characterise the gravity waves, a new algorithm for further analysis of the temperature profiles derived from MTP measurements has been developed. This algorithm will be described within this thesis and its capabilities of detecting wave characteristics will be tested in a synthetic data study. It will be shown, that the vertical wavelengths and intrinsic frequencies can be derived with a maximum uncertainty of 30 %. Hence, through the use of MTP data, it is possible to assess propagation conditions for gravity waves within the tropopause region. Finally, the algorithm will be used to evaluate measurements from the DEEPWAVE campaign, which took place in New Zealand in 2014. For these data, the analysis shows that momentum fluxes derived from flight-level measurements, do not always reach the stratosphere. The measurements by the MTP instrument provide a unique and important insight to the prevailing conditions of wave propagation through the tropopause region.
Schwerewellen, Tropopause, UTLS, Mikrowellen-Fernerkundung
Kenntner, Mareike
2018
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Kenntner, Mareike (2018): Using MTP measurements to characterise atmospheric gravity waves in the tropopause region. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Atmosphärische Schwerewellen, die nahe am Erdboden angeregt werden, können weit in die Atmosphäre propagieren. Wenn sie brechen, übertragen sie ihre Energie und ihren Impuls an die Hintergrundströmung und treiben damit die globale Zirkulation der mittleren Atmosphäre. Um das Verständnis über die Entstehung und Ausbreitung von Schwerewellen durch die Atmosphäre weiter zu vergrößern, werden u.a. Messkampagnen mit Forschungsflugzeugen durchgeführt, bei denen besonders die Tropopausen-Region im Fokus steht. Diese ist als Barriere für die Ausbreitung von Schwerewellen in größere Höhen bekannt. Mit Hilfe eines passiven Mikrowellenradiometers, dem Microwave Temperature Profiler (MTP), können vom Flugzeug aus Temperaturmessungen sowohl ober- als auch unterhalb der aktuellen Flughöhe gemacht werden. Da atmosphärische Schwerewellen Temperaturschwankungen hervorrufen, bieten die Messungen des MTP eine gute Möglichkeit Schwerewellen direkt messen und charakterisieren zu können. In der folgenden Arbeit wird untersucht, welche Temperaturfluktuationen vom MTP erfasst werden können und wie gut die Eigenschaften von Schwerewellen, wie ihre horizontale und vertikale Wellenzahl und die intrinsische Frequenz, aus den Temperaturdaten des MTP abgeleitet werden können. Hierzu wird eine Kalibrationsmessung im Labor ausgewertet, um die Detektionsgrenze für Temperaturstörungen festlegen zu können. Des Weiteren wird mit Hilfe von Strahlungstransportsimulationen bestimmt, über welchen Bereich der Atmosphäre Informationen in den MTP-Daten enthalten sind. Es wird gezeigt, dass das MTP atmosphärische Temperaturen mit einer Präzision von 0,37 K messen kann, und eine Analyse von Welleneigenschaften für Temperaturfluktuationen von mindestens 1,5 K Amplitude möglich ist. Das MTP kann über einen Bereich von 2-3 km um die Flughöhe Informationen über die potentielle Temperatur, die Stabilität der Schichtung der Luftmassen, sowie dort auftretende Wellen sammeln. Um Schwerewellen charakterisieren zu können, wurde ein neuer Algorithmus zur Auswertung der aus den MTP-Daten abgeleiteten Tempeaturprofilen entwickelt. In dieser Arbeit wird der Algorithmus vorgestellt und seine Kapazitäten in der Erkennung von Wellen-Eigenschaften in MTP-Daten in einer Studie mit synthetischen Daten getestet. Es wird gezeigt, dass die vertikale Wellenlänge und intrinsische Frequenz mit einer Unsicherheit von maximal 30 % bestimmt werden können. Mit Hilfe von MTP-Daten ist es damit möglich, die Bedingungen für Wellen-Ausbreitung innerhalb der Tropopausen-Region zu bewerten. Schließlich wird der neue Algorithmus benutzt, um Messdaten der DEEPWAVEKampagne, die 2014 in Neuseeland stattfand, auszuwerten. Hier zeigt die Auswertung der MTP-Daten, dass auf Flug-Niveau gemessene Impulsflüsse nicht immer bis zur Stratosphäre gelangen. Die Messungen des MTP bieten einen einzigartigen und wichtigen Einblick in die vorherrschenden Bedingungen für Wellenausbreitung durch die Tropopausenregion.

Abstract

Atmospheric gravity waves, which have sources close to the Earth’s surface, can propagate deep into the atmosphere. When these waves break, the energy and momentum they carry is transferred to the background wind. Thus, they drive the global circulation within the middle atmosphere. As one approach to enhance the understanding of the source processes and the propagation of gravity waves through the atmosphere, measurement campaigns with research aircraft have been conducted, which focus on the troposphere region. This region is known to be a barrier for propagation of gravity waves into higher altitudes. With the help of a passive microwave radiometer, the Microwave Temperature Profiler (MTP), measurements of temperature, both, above and below the aircraft can be conducted. As atmospheric gravity waves cause temperature fluctuations, the MTP provides the possibility to directly measure and characterise gravity waves. In the following thesis it will be assessed, which temperature fluctuation signals can be resolved by the MTP instrument and how well characteristics of gravity waves, such as their horizontal and vertical wavenumbers and the intrinsic frequency, can be derived. Calibration measurements in a laboratory will be analysed to define the lower threshold of detectable temperature fluctuation amplitudes. Moreover, radiative transfer calculations will be carried out to investigate which part of the atmosphere the MTP measurements are sensitive to. It will be shown that the MTP is able to measure atmospheric temperatures with a precision of 0:37 K, and that an analysis of wave characteristics is possible from temperature fluctuations with amplitudes of at least 1:5 K. The MTP is sensitive to a vertical altitude region of 2-3 km around the research aircraft, and is able to collect information on the potential temperatures and static stability of the air masses surrounding the aircraft, as well as on gravity waves within this region. To characterise the gravity waves, a new algorithm for further analysis of the temperature profiles derived from MTP measurements has been developed. This algorithm will be described within this thesis and its capabilities of detecting wave characteristics will be tested in a synthetic data study. It will be shown, that the vertical wavelengths and intrinsic frequencies can be derived with a maximum uncertainty of 30 %. Hence, through the use of MTP data, it is possible to assess propagation conditions for gravity waves within the tropopause region. Finally, the algorithm will be used to evaluate measurements from the DEEPWAVE campaign, which took place in New Zealand in 2014. For these data, the analysis shows that momentum fluxes derived from flight-level measurements, do not always reach the stratosphere. The measurements by the MTP instrument provide a unique and important insight to the prevailing conditions of wave propagation through the tropopause region.