Investigation of the interaction between gravity waves and the tropopause

A model is derived that is able to predict the evolution of small-amplitude gravity waves in an atmosphere that changes with height. In the first part, the multi-layer method is described, which bases on layering a steady atmosphere in several layers where the stratification is assumed to be constant. For this easier case, the Boussinesq equations can be solved explicitly via plane waves and the solutions are matched at the interfaces of the respective layers. We give a proof of the convergence of this procedure and discuss the order of convergence. The multi-layer method is used to find transmission coefficients, which describe the amount of wave energy that is transmitted through a layer of non-uniform stratification. When including a height-dependent and non-constant background wind, the governing equations change. Most notably, the wave frequency is Doppler-shifted and an additional term occurs in the Taylor-Goldstein equation containing the second derivative of the background wind. This so-called curvature term is the subject of a scale analysis with the result that there can be realistic atmospheric configurations that influences gravity waves non-negligibly. The multi-layer method is adapted to account for changes in the background wind. The convergence is not affected and it still supplies transmission coefficients very fast and efficiently. The next part deals with the evolution of wave packets. This is particularly challenging as their evolution is no longer described by an ordinary differential equation but a partial differential equation. A Fourier transform is used on the equation as well as a coordinate transformation to translate wave packet initial data to Fourier space. This brings the equation into a shape that permits a variant of the multi-layer method to be used to solve the equation. To obtain the wave packet evolution in physical space, inverse Fourier transform is performed on the solution. A big advantage is that this method has no time step restrictions. Therefore, a fast and efficient computation of the wave packet at any given point in time is possible, given the initial shape. For both plane waves and wave packets, extensive numerical studies are carried out which emphasise the theoretical findings. The last part of the work focuses on a scale analysis of waves propagating through the tropopause. The waves are divided into three regimes: short, similar and long wavelength compared to the tropopause depth. For short waves, a scaling is found that allows for a WKB approach. Leading-order solutions exist in this case, but in general, they are not explicitly representable. For the case of long waves, it is shown that the exact stratification profile in the tropopause region is not relevant for the leading order solution but only plays a role in first order corrections. The case of similar wave length is the hardest to deal with analytically, since there is no scale separation in this case. It is shown that, under an appropriate scaling, the solutions are described by the Taylor-Goldstein equation, which can only be solved explicitly in some special cases.In der Arbeit wird ein Modell, welches in der Lage ist, die Evolution von Schwerewellen mit kleiner Amplitude in einer höhenveränderlchen Atmosphäre vorherzusagen, hergeleitet. Im ersten Teil wird die Mehrschichten-Methode, welche auf einer Unterteilung einer ruhigen Atmosphäre in mehrere Schichten mit konstanter Stratifizierung beruht, beschrieben. Für diesen einfachen Fall können explizite Lösungen für die Boussinesq-Gleichungen gefunden werden. Diese Lösungen sind ebene Wellen und werden an den Schnittstellen der jeweiligen Schichten zusammengefügt. Die Konvergenz des Vorgehens wird bewiesen und die Konvergenzordnung diskutiert. Die Mehrschichten-Methode wird benutzt um Transmissionskoeffizienten zu finden. Diese beschreiben, wie viel Wellenenergie über einen Bereich mit ungleichmäßiger Stratifizierung transportiert wird. Wenn man einen höhenveränderlichen Wind berücksichtigt verändern sich die beschreibenden Gleichungen. Die Frequenz wird Doppler-verschoben und man erhält einen zusätzlichen Term, der die zweite Ableitung des Windes enthält. Dieser sogenannte Krümmungsterm wird mit Hilfe einer Skalenanalyse untersucht. Es wird gezeigt, dass es realistische atmosphärische Konfigurationen geben kann, bei denen Schwerewellen signifikant beeinflusst werden. Die Mehrschichtenmethode wird angepasst um Veränderungen im Hintergrundwind zu berücksichtigen. Die Konvergenz wird dadurch nicht beeinflusst und Transmissionskoeffizienten können berechnet werden. Der nächste Teil behandelt die Evolution von Wellenpaketen. Eine besondere Schwierigkeit ergibt sich daraus, dass ihre Entwicklung nicht länger durch eine gewöhnliche Differentialgleichung, sondern eine partielle Differentialgleichung beschrieben wird. Durch eine Fouriertransformation der Gleichung sowie eine Koordinatentransformation, um die Anfangsdaten in den Fourierraum zu transferieren, wird die Gleichung in eine Form gebracht, die es möglich macht, eine Variante der Mehrschichtenmethode anzuwenden. Um die Wellenpaketevolution im physikalischen Raum zu erhalten muss diese Lösung mit der inversen Fouriertransformation behandelt werden. Ein großer Vorteil ist, dass man keine Restriktionen für Zeitschritte hat. Damit ist es möglich, das Wellenpaket zu jedem beliebigen Zeitpunkt zu berechnen, vorausgesetzt man hat die Anfangsdaten. Die Ergebnisse werden in einer umfassenden numerischen Studie validiert. Zum Schluss wird der Fokus auf eine Skalenanalyse von Wellen, die durch die Tropopause propagieren, gelegt. Es werden drei Bereiche unterschieden: kurze, ähnliche und lange Wellenlängen im Vergleich zur Tropopausendicke. Für kurze Wellen wird eine Skalierung gefunden, die einen WKB-Ansatz zulässt. In führender Ordnung existiert eine Lösung, aber sie kann im Allgemeinen nicht explizit dargestellt werden. Für lange Wellen wird gezeigt, dass die Stratifizierung der Tropopause in führender Ordnung irrelevant ist. Der Fall für ähnliche Wellenlängen ist der härteste für eine analytische Untersuchung, da hier keine Skalentrennung vorliegt. Es wird dargelegt, dass die Lösungen unter einer angemessenen Skalierung durch die Taylor-Goldstein Gleichung beschrieben werden, welche nur für einige Spezialfälle explizit gelöst werden kann

SuperCam: a 64 pixel heterodyne imaging spectrometer

We report on the development of SuperCam, a 64 pixel imaging spectrometer designed for operation in the astrophysically important 870 micron atmospheric window. SuperCam will be used to answer fundamental questions about the physics and chemistry of molecular clouds in the Galaxy and their direct relation to star and planet formation. The Supercam key project is a fully sampled Galactic plane survey covering over 500 square degrees of the Galaxy in 12CO(3-2) and 13CO(3-2) with 0.3 km/s velocity resolution

SuperCam: a 64 pixel heterodyne imaging spectrometer

We report on the development of SuperCam, a 64 pixel imaging spectrometer designed for operation in the astrophysically important 870 micron atmospheric window. SuperCam will be used to answer fundamental questions about the physics and chemistry of molecular clouds in the Galaxy and their direct relation to star and planet formation. The Supercam key project is a fully sampled Galactic plane survey covering over 500 square degrees of the Galaxy in 12CO(3-2) and 13CO(3-2) with 0.3 km/s velocity resolution

Genetic architecture of subcortical brain structures in 38,851 individuals

Subcortical brain structures are integral to motion, consciousness, emotions and learning. We identified common genetic variation related to the volumes of the nucleus accumbens, amygdala, brainstem, caudate nucleus, globus pallidus, putamen and thalamus, using genome-wide association analyses in almost 40,000 individuals from CHARGE, ENIGMA and UK Biobank. We show that variability in subcortical volumes is heritable, and identify 48 significantly associated loci (40 novel at the time of analysis). Annotation of these loci by utilizing gene expression, methylation and neuropathological data identified 199 genes putatively implicated in neurodevelopment, synaptic signaling, axonal transport, apoptosis, inflammation/infection and susceptibility to neurological disorders. This set of genes is significantly enriched for Drosophila orthologs associated with neurodevelopmental phenotypes, suggesting evolutionarily conserved mechanisms. Our findings uncover novel biology and potential drug targets underlying brain development and disease

Novel genetic loci associated with hippocampal volume

The hippocampal formation is a brain structure integrally involved in episodic memory, spatial navigation, cognition and stress responsiveness. Structural abnormalities in hippocampal volume and shape are found in several common neuropsychiatric disorders. To identify the genetic underpinnings of hippocampal structure here we perform a genome-wide association study (GWAS) of 33,536 individuals and discover six independent loci significantly associated with hippocampal volume, four of them novel. Of the novel loci, three lie within genes (ASTN2, DPP4 and MAST4) and one is found 200 kb upstream of SHH. A hippocampal subfield analysis shows that a locus within the MSRB3 gene shows evidence of a localized effect along the dentate gyrus, subiculum, CA1 and fissure. Further, we show that genetic variants associated with decreased hippocampal volume are also associated with increased risk for Alzheimer's disease (rg =-0.155). Our findings suggest novel biological pathways through which human genetic variation influences hippocampal volume and risk for neuropsychiatric illness

Novel genetic loci underlying human intracranial volume identified through genome-wide association

Intracranial volume reflects the maximally attained brain size during development, and remains stable with loss of tissue in late life. It is highly heritable, but the underlying genes remain largely undetermined. In a genome-wide association study of 32,438 adults, we discovered five novel loci for intracranial volume and confirmed two known signals. Four of the loci are also associated with adult human stature, but these remained associated with intracranial volume after adjusting for height. We found a high genetic correlation with child head circumference (ρgenetic=0.748), which indicated a similar genetic background and allowed for the identification of four additional loci through meta-analysis (Ncombined = 37,345). Variants for intracranial volume were also related to childhood and adult cognitive function, Parkinson’s disease, and enriched near genes involved in growth pathways including PI3K–AKT signaling. These findings identify biological underpinnings of intracranial volume and provide genetic support for theories on brain reserve and brain overgrowth

The genetic architecture of the human cerebral cortex

The cerebral cortex underlies our complex cognitive capabilities, yet little is known about the specific genetic loci that influence human cortical structure. To identify genetic variants that affect cortical structure, we conducted a genome-wide association meta-analysis of brain magnetic resonance imaging data from 51,665 individuals. We analyzed the surface area and average thickness of the whole cortex and 34 regions with known functional specializations. We identified 199 significant loci and found significant enrichment for loci influencing total surface area within regulatory elements that are active during prenatal cortical development, supporting the radial unit hypothesis. Loci that affect regional surface area cluster near genes in Wnt signaling pathways, which influence progenitor expansion and areal identity. Variation in cortical structure is genetically correlated with cognitive function, Parkinson's disease, insomnia, depression, neuroticism, and attention deficit hyperactivity disorder

Work design measures and solutions for dealing with the COVID-19 pandemic: A systematic analysis of work in the primary, secondary, and tertiary sectors in Germany

Die mit der Ausbreitung der COVID-19 Pandemie in Deutschland einhergehende Anforderung betriebliche Arbeitsabläufe an die gesetzlichen Hygiene- und Kontaktreduktionsvorgaben anzupassen, hat zu kurzfristigen und teilweise radikalen Veränderungen in der Arbeitswelt geführt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens COVID19LL wurde basierend auf 52 Interviews mit Unternehmens- und Organisationsvertretungen analysiert, welche pandemiebedingten Veränderungen im Kontext der Arbeit überregional und sektorenübergreifend auftreten, wie diese zu bewerten sind und welche neuen Arbeitsweisen sich auch in einer postpandemischen Zeit bewähren könnten. Im Einklang mit anderen Untersuchungen konnten eine steigende Flexibilisierung von Arbeitsort und Arbeitszeit, eine Beschleunigung der Digitalisierung von Arbeitsprozessen sowie Auswirkungen auf die Führungskultur festgestellt werden. Weitere zentrale Erfahrungen beziehen sich auf die Anpassung interner und externer Kommunikationsprozesse sowie den operativen Umgang mit krisenbedingten Herausforderungen. Anhand der gesammelten Daten wurden Handlungsempfehlungen für Unternehmen in Form von normativ-narrativen Szenarien abgeleitet. Praktische Relevanz: Die vorgestellten Ergebnisse zeigen in der Praxis erfolgreich umgesetzte Maßnahmen zur Bewältigung der krisenbedingten Herausforderungen sowie Ansätze für die künftige Weiterentwicklung von Arbeitsformen. Die Maßnahmen werden durch die Darlegung erforderlicher Rahmenbedingungen und Erfolgsfaktoren kontextualisiert, wodurch der Transfer in andere Unternehmen und Wirtschaftszweige gefördert wird