Am Freitag, dem 23.Oktober 2026, 15:15 Uhr, HS1, IfPh, findet die Verteidigung der Dissertationsarbeit von Mohamed Mossad (Atmosphärenphysik, AG Prof. Dr. Baumgarten, IAP) zum Thema “Gravity Wave Spectra, Variability, and Interactions in the Middle Atmosphere Using Doppler Lidar Observat” als Hybrid-Veranstaltung statt.
Anmeldungen für eine Online-Teilnahme bitte unter: verteidigungen.physikuni-rostockde bis 22.10.2026
Abstract
Atmospheric gravity waves (GWs) transport energy and momentum into the middle atmosphere, where their dissipation drives the large-scale circulation. Yet their energy spectra are hard to quantify from gappy, noisy observations. This cumulative thesis characterizes GW spectra, variability and wave–mean-flow interactions at 30–70 km altitude using simultaneous temperature and wind profiles from the Doppler Rayleigh-Mie-Raman lidars at ALOMAR (69°N) and Kühlungsborn (54°N).
Benchmarks with synthetic data show that interpolation-based Fourier spectra artificially steepen spectral slopes, whereas the Haar structure function and the uncertainty-weighted generalized Lomb–Scargle periodogram are far less biased. Applying these methods to seven years of ALOMAR soundings (2017–2023) yielded the first multi-year study of GW kinetic and potential energy spectra in the polar middle atmosphere. Winter shows broadband wave activity, whereas summer spectra exhibit broken power laws and a distinct population of near-inertial waves. The kinetic-to-potential energy ratio rises to about 20 at short vertical wavelengths, so temperature-only measurements underestimate the total GW energy. A GW-permitting UA-ICON simulation during the VortEx campaign reproduces the lidar-observed potential energy but underestimates low-frequency kinetic energy.
A case study of the polar night jet above Kühlungsborn resolved 167 individual wave packets, showing that the jet filters GWs and that shear at its edge can excite new waves. These results provide observational benchmarks for GW parameterizations in weather and climate models.
Zusammenfassung
Atmosphärische Schwerewellen transportieren Energie und Impuls in die mittlere Atmosphäre, wo ihre Dissipation die großräumige Zirkulation antreibt. Ihre Energiespektren sind jedoch aus lückenhaften, verrauschten Beobachtungen schwer zu bestimmen. Diese kumulative Dissertation untersucht Spektren, Variabilität und Wellen-Grundstrom-Wechselwirkungen von Schwerewellen in 30–70 km Höhe anhand simultaner Temperatur- und Windprofile der Doppler-Rayleigh-Mie-Raman-Lidars auf ALOMAR (69°N) und in Kühlungsborn (54°N).
Tests mit synthetischen Daten zeigen, dass interpolationsbasierte Fourier-Spektren künstlich steilere Spektren erzeugen, während die Haar-Strukturfunktion und das unsicherheitsgewichtete verallgemeinerte Lomb-Scargle-Periodogramm deutlich weniger verzerrt sind. Damit entstand aus sieben Jahren ALOMAR-Messungen (2017–2023) die erste mehrjährige Untersuchung der Spektren kinetischer und potenzieller Schwerewellenenergie in der polaren Mittelatmosphäre. Im Winter zeigt sich breitbandige Wellenaktivität, im Sommer dagegen gebrochene Potenzgesetze und eine ausgeprägte Population trägheitsnaher Wellen. Das Verhältnis von kinetischer zu potenzieller Energie steigt bei kurzen vertikalen Wellenlängen auf bis zu etwa 20, sodass reine Temperaturmessungen die Gesamtenergie unterschätzen. Eine schwerewellenauflösende UA-ICON-Simulationwährend der VortEx-Kampagne gibt die mittels Lidar beobachtete potenzielle Energie wieder, unterschätzt jedoch die niederfrequente kinetische Energie.
Eine Fallstudie des Polarnachtjets über Kühlungsborn löste 167 einzelne Wellenpakete auf und zeigt, dass der Jet Schwerewellen filtert und Scherung an seinem Rand neue Wellen anregen kann. Die Ergebnisse liefern beobachtungsbasierte Referenzwerte für Schwerewellen-Parametrisierungen in Wetter- und Klimamodellen.
Interessenten sind herzlich eingeladen!