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Anisotropy in internal gravity waves in conditions of a stable nocturnal boundary layer

Kniffka, Anke; Ziemann, Astrid; Chunchuzov, Igor; Kulichkov, Sergei; Perepelkin, Vitali

Meteorologische Zeitschrift Vol. 18 No. 3 (2009), p. 331 - 337

published: Jun 1, 2009

DOI: 10.1127/0941-2948/2009/0378

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Abstract

In July 2005 the Oboukhov Institute of Atmospheric Physics (OIAP) and the Leipzig Institute for Meteorology (LIM) conducted a joint experiment at Zvenigorod (Russia) using the OIAP's acoustic pulse sounding method and the acoustic travel time tomography of the LIM group. These were deployed simultaneously with SODAR and temperature profiler measurements of wind speed and temperature profiles used for monitoring the state of the lower atmosphere. Internal gravity waves (IGWs) in the stably stratified atmosphere were detected by means of cross-coherence analysis of the acoustic travel times. The acoustic receivers were placed in groups of three at several locations distributed within the measurement field. Two methods were employed for detecting coherent structures: first in the vertical direction along refracting ray paths with turning points in the atmosphere between 50 m to 300 m and second the pulse propagation along almost horizontal ray paths that connect pairs of source and receivers. In this way both horizontal and vertical information of the state of the atmosphere was monitored continuously during the experiment; this allowed both the detection of wave-like structures and the spatial and temporal characteristics of the effective sound speed fluctuations. From these fluctuations the anisotropy of the IGW's is deduced. Two measurement days are analysed in this study which revealed several anisotropic frequency domains caused by wave-like structures.

Kurzfassung

Im Juli 2005 wurde ein gemeinsames Experiment zweier Gruppen des Oboukhov Institute of Atmospheric Physics (OIAP) und des Leipziger Instituts für Meteorologie (LIM) durchgeführt. Bei dieser Kampagne wurde die sogenannte acoustic pulse sounding method des OIAP eingesetzt, wobei gleichzeitig zur Überwachung des Stabilitätszustands der unteren Atmosphäre mittels SODAR und Temperaturprofiler Wingeschwindigkeits- und Temperaturprofile gemessen wurden. Interne Schwerewellen (IGWs) in der stabil geschichteten Grenzschicht wurden durch Kohärenzanalyse der Zeitreihen der gemessen akustischen Parameter (hier: Laufzeiten des Schallsignals) detektiert. Die akustischen Empfänger waren in Dreiergruppen an verschiedenen ausreichend weit voneinander entfernten Stellen im Messgebiet aufgestellt. Dadurch konnten zwei Methoden zur Detektion von kohärenten Strukturen eingesetzt werden: zum einen in der Vertikalen entlang sich brechender Schallstrahlen mit Umkehrpunkten in Höhen zwischen 50 m bis 300 m und zweitens die Signalausbreitung auf fast horizontalem Weg zwischen dem Sender und den jeweiligen Empfängern. Auf diese Weise konnten sowohl horizontale als auch vertikale Information über den Zustand der Atmosphäre während des Experiments gewonnen werden. Dies erlaubt nicht nur die Detektion wellenartiger Strukturen selbst, sondern auch deren räumliche und zeitliche Charakteristika wie z. B. horizontale und vertikale zeitliche Variationen der effektiven Schallgeschwindigkeitsfluktuationen. Von diesen Fluktuationen konnte die Anisotropie der IGWs abgeleitet werden. Zwei Messtage werden in dieser Studie vorgestellt, bei welchen mehrere anisotrope Frequenzbereiche, welche von wellenartigen Strukturen beeinflusst wurden, auftraten.