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Schwerewellen tragen wesentlich zum Antrieb globaler Zirkulationen in der mittleren Atmosphäre bei. Sie üben unter anderem beim Brechen eine Beschleunigung auf den Hintergrundwind aus. Vorhersagesimulationen der Atmosphäre basieren üblicherweise auf allgemeinen Zirkulationsmodellen. Diese haben Schwierigkeiten, kleinskalige, dynamische Prozesse wie Schwerewellen realistisch darzustellen, weil Klimamodellrechnungen durch die großen zeitlichen Skalen und den damit verbundenen hohen Rechenbedarf weiterhin auf grobe, räumliche Auflösungen beschränkt bleiben. Parametrisierungen sind daher üblicherweise Bestandteil von Vorhersagemodellen der Atmosphäre. Parametrisierungen bezeichnen vereinfachte physikalische Modelle für Prozesse, die auf kleineren Skalen als der Gitterauflösung auftreten, einschließlich Schwerewellen. Modellstudien haben zum Beispiel gezeigt, dass ein abgeschwächter Schwerewellenantrieb die globale Zirkulation beeinflusst und zu einem systematisch verspäteten Zusammenbrechen des südhemisphärischen Polarwirbels führt. Im Gegensatz zu Klimamodellen haben Wettervorhersagesysteme kürzlich operative, räumliche Auflösungen erreicht, die große Teile des Schwerewellenspektrums in der mittleren Atmosphäre auflösen. Ihre Produkte können deshalb für die Untersuchung der Entstehung und Ausbreitung von Schwerewellen in wichtigen Regionen wie der Südpolarwirbelregion genutzt werden und verbessern damit zukünftige Parametrisierungen für Klimamodelle. Diese Doktorarbeit stellt ein Analysekonzept für Welleneigenschaften und die Ausbreitung von Schwerewellen vor, die in operativen Ausgabefeldern des “Integrated Forecast System” (IFS, dt. “Integrieten Vorhersagesystem”) des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage aufgelöst sind. Die Analyse von Schwerewellen aus Modellund Beobachtungsdaten wird durch die Fülle von unterschiedlichen, dynamischen Prozessen erschwert, die zur gleichen Zeit in der Atmosphäre auftreten. Typische Muster von “inertial instabilities” (dt. Trägheitsinstabilitäten) und anderer wellenartiger Phänomene wurden in der Vergangenheit fälschlicherweise als Schwerewellen interpretiert. Zuerst wird daher der Fokus in dieser Doktorarbeit auf die Eignung verschiedener Ansätze zur Trennung von Schwerewellensignalen vom Rest der Atmosphäre gelegt. Diese Methoden werden häufig als “background removals” (dt. Hintergrundentfernung) bezeichnet, und basieren üblicherweise auf der Unterscheidung von klein- und großskaligen Phänomenen durch Spektralfilterung entlang unterschiedlicher, räumlicher Dimensionen. Der Vergleich von vertikalen und horizontalen Filteransätzen zeigt, dass “inertial instability”-Strukturen mit Horizontalfiltern einfacher von Schwerewellen getrennt werden können. Weiterhin weisen die Ergebnisse darauf hin, dass für die Stratosphäre Wellenzahlen der Ordnung 6 und für die Troposphäre der Ordnung 18 entlang des Breitenkreises für die Trennung verwendet werden sollten. Ein Wellenfeld nahe dem Südpolarwirbel südöstlich von Neuseeland, das zuvor in Satellitenbeobachtungen gezeigt und auch in IFS-Daten wiedergefunden wurde, wird im Detail untersucht. Die Untersuchung konzentriert sich auf Entstehungsprozesse und Ausbreitungswege von Wellen in diesem Wellenfeld und verbindet dabei Eigenschaften der Wellen (z.B. horizontale Phasengeschwindigkeiten und Wellenausbreitungsrichtung) mit Eigenschaften der Umgebung (z.B. Windrichtungen). Die Ergebnisse zeigen, dass umfangreiche schräge Wellenausbreitung von Quellen von mittleren Breiten in der Troposphäre und untersten Stratosphäre stattfindet. Schräge Ausbreitung ist entsprechend bereits unterhalb von 15km Höhe relevant. Zusätzlich müssen verschiedene, nichtorographische Entstehungsprozesse berücksichtigt werden. Besonders die schräge Ausbreitung sollte daher Bestandteil moderner Parametrisierungsschemata in zukünftigen Klimamodellkonfigurationen sein, anders als es der aktuelle Standard für Schwerewellenparametrisierungen vorgibt.

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