Dekadische Änderungen der längenabhängigen Ozonverteilung und ihre Wirkung auf die Koppelung der atmosphärischen Schichten

Dieter H.W. Peters und Axel Gabriel,

Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik an der Universität Rostock, Kühlungsborn, Mecklenburg

• Motivation + es gibt stratosphärische zonal asymmetrische Ozon-Änderungen in

der dekadischen Zeitskala

+ vorherige Studien zeigen, dass das längenabhängige Ozon (O3*) in der UT/LS Region einen signifikanten Einfluss auf die troposphärische Zirkulation infolge der Strahlungsanregung hat

+ die Erweiterung dieser Untersuchung auf die mittlere Atmosphäre, wo die direkte solare Strahlung wichtiger wird über das Ozon, ist das Ziel dieser Studie

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Motivation (1)

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Dekadische Änderung von O3* für Januar - 1980er

DU

Beobachtung TOMS Modell LIMO3

Sei Regression gegeben, so folgt auch eine trendartige O3* Änderung.

nach Peters & Entzian J.Clim. 1999 nach Peters & Entzian 2006

Trend der geopotentiellen Höhe Januar 1959-2001(zonal asymmetrisch, 300 hPa, m/ a)

Weiße Linien zeigen Gebiete mit Signifikanz (>95%)

Motivation (2)

Sensitivitäts-Experiment mit O3* Änderung: Resultate für GCM ECHAM4

nach Kirchner & Peters 2003DKT7-06-.dpe-3

Motivation (3)

• Offene Fragen+ Welche Struktur haben die dekadischen und trendartigen zonal asymmetrischen

Ozon-Änderungen in der mittleren Atmosphäre?

+ Welche direkten oder indirekten Effekt hat die induzierte Änderung der solaren Strahlungsanregung?

+ Wie beeinflussen die zonal asymmetrischen Ozon-Änderungen die Koppelung der atmosphärischen Schichten?

Projekt “SORACAL” ist Teil der deutschen CAWSES Aktivitäten: Die Ziele sind

+ die Bestimmung der langzeitigen Änderungen der zonal asymmetrischen Ozon- Variationen von Analysen (ERA-40)

+ die Abschätzung ihrer direkten und indirekten Effekte von der Troposphäre bis zur Mesosphäre basierend auf dem GCM MAECHAM5 (bis 0.01 hPa etwa 80 km) + die Untersuchung ihrer Einflüsse auf die atmosphärische Langzeit-Variabilität und Koppelung der atmosphärischen Schichten (eingeschlossen solare Variabilität)

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90er

max. Amplitude: 0.8 mg/kg (10%)

Dekadische Änderungen des zonal asymmetrischen Ozon O3* bei 10 hPa – ERA – 40 – Datensatz

60er

80er

70er

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( Bem.: 20 g/kg Jahr-1 = 0.2 mg/kg Dekade-1 , 0.1 K Jahr-1 = 1 K Dekade-1 )

Trend im zonal asymmetrischen Ozon und in der Temperatur bei 10 hPa – ERA – 40 - Datensatz

O3* T*

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Trend des Ozons [µg/kg/a] Trend der Temperatur [K/a]

10 hPa

• GCM MAECHAM5 (Auflösung: T42, 39 Schichten bis 0.01 hPa)

Roeckner et al., MPI Report 349, 2003

Kontrolllauf:

10 Jahre mit AMIP-SST 1989-1999, einschließlich der zonal gemittelten Ozon Klimatologie (Fortuin &

Kelder, 1998)

Modell Experiment:

Januar mittlere zonale Ozon Variationen O3* der 1990er (ERA-40) wurden addiert, Start mit Oktober (500hPa ≥ p ≥ 1ha, ≥ 30° N)

10 Winterperioden (DJF) mit und ohne O3*

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Modell und Ansatz

Solare (links) und thermische (rechts) Erwärmungsrate [K Tag-1] induziert durch O3* in 50 hPa, gemittelt über Januar (berechnet mit MAECHAM5)

Strahlungsstörungen infolge der zonal asymmetrischen Ozon- Variation O3* in der 50 hPa - Schicht

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Solare (llinks) und thermische (rechts) Erwärmungsraten [K Tag-1] induziert durch O3*, gemittelt über Januar und über den zonalen Sektor von 60° W-30° O

Strahlungsstörungen durch O3* – Nordatlantik / Europa Region

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Mittlere Abweichungen von der zonal gemittelten Temperatur ohne (links) und mit O3* (mittig); sowie die Differenz DT (rechts), (jeweils über 10 Winterperioden der 1990er)

Modellresultate: Temperatur Störung T* bei 50 hPa (ca. 20 km) induziert durch O3*

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Modellresultate: Temperatur Störung T* bei 5 hPa (ca. 35 km) induziert durch O3*

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Mittlere Abweichungen von der zonal gemittelten Temperatur ohne (links) und mit O3* (mittig); sowie die Differenz DT (rechts), (jeweils über 10 Winterperioden der 1990er)

Modellresultate: Temperatur Störung T* bei 0.1 hPa (ca. 65 km) induziert durch O3*

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Zeigt die Koppelung zwischen der Stratosphäre und Mesosphäre

Mittlere Abweichungen von der zonal gemittelten Temperatur ohne (links) und mit O3* (mittig); sowie die Differenz DT (rechts), (jeweils über 10 Winterperioden der 1990er)

Neuer Fokus: Koppelung zwischen Stratosphäre und Troposphäre?

In der UT/LS Region existieren verschiedene Typen von Ereignissen mit polwärts bzw. äquatorwärts brechenden Rossby - Wellen

P2LC1

U

1

2

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• P2-Typ RWB typisches Auftreten in Regionen mit diffluenter großräumiger Strömung (Peters & Waugh, JAS, 1996; Peters & Waugh, MWR, 2003)

• Antizyklonales bzw. zyklonales RWB wird angezeigt durch einen südwärts bzw. nordwärts gerichteten Wellenfluss (Esler & Haynes, JAS, 1999)

• Meridionale Komponente des Wellenaktivitätsflusses (Plumb, 1985; Takaya & Nakamura, 1997) wird kombiniert mit der diffluenten bzw. konfluenten Strömungseigenschaft, angezeigt durch die räumliche Änderung von Neuer RWB – Parameter wie z.B. RWB-P2

Geopotentielle Höhe [m] und RWB – Parameter RWB-P2 [m2s-2], gemittelt über 10 Winterperioden von 1989-99.

Modellresultate: Mittleres Geopotential und polwärts gerichtetes Rossby – Wellenbrechen in den 1990er

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Modellresultate: Dekadische Änderungen für RWB Typ P2 (polwärts, stromabwärts) induziert durch O3* – MAECHAM5

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RWB-P2 für 50°N , gemittelt über 10 Winterperioden von 1989-99.

rot: mit zonaler Ozonvariation O3* blau: ohne O3*

50° N

Resultate - Zusammenfassung

● Die dekadische Amplitudenzunahme der planetaren Welle-1-Structur des Ozons (O3*) in der mittleren und oberen Stratosphäre (abgeleitet aus den ERA-40 Datensatz) wurde bestimmt.

● Die dadurch erzeugte Strahlungsänderung bewirkt eine Zunahme der Amplitude und eine Phasenverschiebung der planetaren Welle 1 in der Temperatur

(GCM ECHAM5; geänderten Ausbreitungsbedingungen der planetaren Welle).Temperaturänderung: - 1-2 K in der unteren Stratosphäre

- 2-3 K in der mittleren / oberen Stratosphäre- 3-4 K in der unteren Mesosphäre

● Die induzierte Änderung in der planetaren Welle 1 Struktur (d.h. Position & Stärke des Polarwirbels) erzeugt eine Westwärts - Verschiebung und Verstärkung der diffluenten Strömungsfelder und damit mehr polwärts gerichtetes RWB-P2 in der UT/LS Region über dem westlichen Nordatlantik.

● Die indizierten Änderungen in Position und Stärke des Polarwirbels und das veränderte regionale Auftreten von polwärts gerichtetem RWB in dem Nordatlantik – Europa-Sektor zeigen die unterschiedliche Koppelung der atmosphärischen Schichten in verschieden Regionen an.

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