Analysis of the Forcing Mechanisms of the Terdiurnal Solar Tide in the Middle Atmosphere

Atmospheric solar tides play an important role in the vertical transport of energy and momentum from the troposphere to the middle and upper atmosphere. They are primarily excited by the absorption of solar heating in the troposphere and stratosphere. The periods of solar tides are according to the harmonics of the diurnal solar radiation variations. While the diurnal and semidiurnal tides are relatively well investigated, the terdiurnal tide has gained less attention to date, especially with regard to its possible excitation mechanisms. These become more complex for higher harmonics because the direct solar forcing is smaller and further possible excitation mechanisms such as nonlinear tidal interactions, gravity wave-tide interactions or tidal-mean flow interactions come into play. The terdiurnal tide has been observed from various ground-based instruments and by remote sensing techniques, but these measurements only provide an overview of the total terdiurnal tide as a product of all forcing mechanisms. At present, it is not possible to measure the contribution from individual forcings. Therefore, numerical models provide a powerful tool to separate the different forcing mechanisms and to analyze their contribution and interplay. A few model studies exist about this topic but they do not provide a comprehensive picture, and they are partly contradicting. Possible reasons are the respective model features and setups or narrowly focused analyses. The terdiurnal gravity wave forcing, for example, has never been considered in these studies even though gravity waves are known to have a large impact on the middle atmosphere dynamics. To extend the knowledge of that topic, a nonlinear mechanistic global circulation model is used in this thesis. This is a comprehensive numerical study to investigate the relative importance of three different terdiurnal forcing mechanisms and their interplay, including the direct solar forcing, nonlinear tidal interactions and gravity wave-tide interactions. For the first time, the forcing terms itself are analyzed and quantified. Different tidal modes are correlated to identify tidal interactions. Model simulations are presented that show the contribution of individual forcings on the observed wave amplitude in the mesosphere and lower thermosphere. Finally, new coupling features between the different forcings are discovered that have not been reported before. All together, this modeling study is the most extensive and comprehensive analysis about the forcing mechanisms of the terdiurnal tide, and it helps to fill a significant gap in the understanding of wave propagation in the middle atmosphere.:Bibliographische Beschreibung Bibliographic Description Acronyms 1. Introduction 2. Terdiurnal Solar Tides 2.1. Review of the Climatology of Terdiurnal Tides 2.2. Forcing of Terdiurnal Tides 2.2.1. Theory of Forcing Mechanisms 2.2.2. Model Studies 2.3. Summary and Open Questions 3. The Middle and Upper Atmosphere Model (MUAM) 3.1. Overview 3.2. Numerical Properties 3.3. Dynamics 4. Climatology of the Terdiurnal Tide in MUAM 4.1. Amplitudes 4.2. Phases and Vertical Wavelengths 5. The Terdiurnal Forcing Mechanisms in MUAM 5.1. The Terdiurnal Forcing Terms – In-Situ Excitation 5.1.1. The Solar Forcing 5.1.2. The Gravity Wave Forcing 5.1.3. The Nonlinear Forcing 5.2. Nonlinear Tidal Interactions - Common Analysis Methods 5.2.1. The Wavelength Criterion 5.2.2. The Correlation Analysis 5.3. Propagating Terdiurnal Tides 5.3.1. The Removal of Excitation Mechanisms in a MUAM Simulation 5.3.2. Simulation Overview 5.3.3. Seasonal and Global Structure of the Terdiurnal Tide from Individual Forcing Mechanisms 5.3.4. Interactions Between Different Forcing Mechanisms 5.4. The Impact of Terdiurnal Forcing Terms on the Background Circulation 5.5. Summary of the Terdiurnal Forcing Mechanisms 6. Summary and Conclusion 7. Outlook References A. Appendix: MUAM Reference Simulation B. Appendix: MUAM Simulations with Removed Forcings Acknowledgements Curriculum Vitae AffirmationAtmosphärische solare Gezeiten spielen eine bedeutende Rolle für den Vertikaltransport von Energie und Impuls aus der Troposphäre in die mittlere und obere Atmosphäre. Sie werden primär durch Absorption solarer Strahlung in der Troposphäre und Stratosphäre angeregt. Die Perioden der solaren Gezeiten entsprechen den harmonischen Anteilen der täglichen Variation solarer Strahlung. Während die täglichen und halbtägigen Gezeiten relativ gut erforscht sind, haben die dritteltägigen Gezeiten bisher weniger Aufmerksamkeit, insbesondere in Bezug auf ihre Anregungsmechanismen, auf sich gezogen. Diese werden für höhere harmoni-sche Anteile komplexer, da die solare Anregung geringer ist und weitere Anregungsmechanismen wie nichtlineare Wechselwirkungen zwischen Gezeiten untereinander, mit Schwerewellen oder mit der mittleren Strömung ins Spiel kommen. Die dritteltägigen Gezeiten wurden bereits vielfach von bodengebundenen Instrumenten und mit Fernerkundungsmethoden beobachtet, jedoch bieten diese Messungen lediglich einen Überblick über die gesamten dritteltägigen Gezeiten als Produkt aller Anregungsmechanismen. Bis heute ist es nicht möglich, die Beiträge einzelner Anregungen zu messen. Deshalb sind numerische Modelle ein mächtiges Werkzeug, diese verschiedenen Anregungen zu separieren und ihre Beiträge und ihr Zusammenspiel zu analysieren. Es gibt einige wenige Modellstudien zu diesem Thema, aber diese bieten kein umfassendes Bild und sind teilweise widersprüchlich. Mögliche Gründe sind die entsprechenden Modelleigenschaften und -einstellungen und die schmal fokussierte Analyse. So wurde z.B. die dritteltägige Schwerewellenanregung bisher nie in die Betrachtungen einbezogen, obwohl bekannt ist, dass Schwerewellen einen großen Einfluss auf die Zirkulation der mittleren Atmosphäre haben. Um das Wissen zu diesem Thema zu erweitern, wird in dieser Arbeit ein nichtlineares, mechanistisches, globales Zirkulationsmodell genutzt. Es handelt sich um eine umfassende numerische Studie, um die relative Wichtigkeit und das Zusammenspiel von drei dritteltägigen Anregungsmechanismen zu untersuchen: die direkte solare Anregung, nichtlineare Wechselwirkungen zwischen Gezeiten und Schwerewellen-Gezeiten-Wechselwirkungen. Zum ersten Mal werden die Anregungsterme selbst analysiert und quantifiziert. Verschiedene Gezeitenmoden werden korreliert, um Interaktionen zwischen Gezeiten zu identifizieren. Es werden Modellsimulationen vorgestellt, welche die Beiträge der einzelnen Anregungen zu den beobachteten Wellenamplituden in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre zeigen. Schließlich werden neue Kopplungsmechanismen zwischen den verschiedenen Anregungen entdeckt, wovon zuvor noch nicht berichtet wurde. Zusammenfassend ist diese Modellstudie die aufwändigste und umfassendste Analyse zu den Anregungsmechanismen der dritteltägigen Gezeiten und sie hilft eine entscheidende Lücke zum Verständnis der Wellenausbreitung in der mittleren Atmosphäre zu füllen.:Bibliographische Beschreibung Bibliographic Description Acronyms 1. Introduction 2. Terdiurnal Solar Tides 2.1. Review of the Climatology of Terdiurnal Tides 2.2. Forcing of Terdiurnal Tides 2.2.1. Theory of Forcing Mechanisms 2.2.2. Model Studies 2.3. Summary and Open Questions 3. The Middle and Upper Atmosphere Model (MUAM) 3.1. Overview 3.2. Numerical Properties 3.3. Dynamics 4. Climatology of the Terdiurnal Tide in MUAM 4.1. Amplitudes 4.2. Phases and Vertical Wavelengths 5. The Terdiurnal Forcing Mechanisms in MUAM 5.1. The Terdiurnal Forcing Terms – In-Situ Excitation 5.1.1. The Solar Forcing 5.1.2. The Gravity Wave Forcing 5.1.3. The Nonlinear Forcing 5.2. Nonlinear Tidal Interactions - Common Analysis Methods 5.2.1. The Wavelength Criterion 5.2.2. The Correlation Analysis 5.3. Propagating Terdiurnal Tides 5.3.1. The Removal of Excitation Mechanisms in a MUAM Simulation 5.3.2. Simulation Overview 5.3.3. Seasonal and Global Structure of the Terdiurnal Tide from Individual Forcing Mechanisms 5.3.4. Interactions Between Different Forcing Mechanisms 5.4. The Impact of Terdiurnal Forcing Terms on the Background Circulation 5.5. Summary of the Terdiurnal Forcing Mechanisms 6. Summary and Conclusion 7. Outlook References A. Appendix: MUAM Reference Simulation B. Appendix: MUAM Simulations with Removed Forcings Acknowledgements Curriculum Vitae Affirmatio