Die Änderungen der Brewer-Dobson Zirkulation mit dem Klimawandel: Eine Modellstudie mit dem Klima-Chemie-Modell EMAC

Abstract

Die Brewer-Dobson Zirkulation (BDC) bestimmt den Transport von Spurenstoffen in der Strato- und Mesosphäre. Diese umfasst eine aufsteigende Luftbewegung in den Tropen, eine polwärts gerichtete Komponente in der Stratosphäre und eine Absinkbewegung in den hohen Breiten. Die Zirkulation besteht aus zwei Ästen - einem flachen unteren und einem hochreichenden oberen. Die BDC, welche bestimmt wird durch die zonal-gemittelte Residualzirkulation (RC) und quasi- horizontale Mischungsprozesse, wird durch atmosphärische Wellen verschiedener räumlicher und zeitlicher Skalen angetrieben. Im Winter breiten sich planetare, troposphärische Rossbywellen und in allen Jahreszeiten Schwerewellen (GWs) aufwärts aus, dissipieren und übertragen ihren Impuls an die zonal-gemittelte stratosphärische Zirkulation. Unterhalb der Schichten in denen die Wellen dissipieren wird dadurch eine Meridionalzirkulation hervorgerufen. Unabhängige Modellsimulationen zeigen eine Beschleunigung der BDC aufgrund von ansteigenden Treibhausgas(GHG)- Konzentrationen. Die Ursachen für die simulierten BDC-Trends sind aktuell in Diskussion. Hauptanliegen dieser Doktorarbeit ist es, durch Simulationen mit dem Klima-Chemie-Modell EMAC, zum besseren Verständnis der BDC und deren Änderungen beizutragen. Hierzu wurden Zeitscheibensimulationen durchgeführt, wobei die GHG- Konzentrationen und deren Einfluss auf die Meeresoberflächentemperaturen (SSTs), sowie die ozonzerstörenden Substanzen (ODS) separat unter Vergangenheits- und Zukunftsbedingungen variiert wurden. Die Simulationen ermöglichen eine Untersuchung der zugrunde liegenden Mechanismen für BDC- Änderungen anhand von alleinigen Änderungen der RC und des Alters der stratosphärischen Luft (AoA). EMAC simuliert einen Anstieg im aufwärts- gerichteten tropischen Massenfluss um 2%/Dekade in der unteren Stratosphäre bis zum Ende des 21. Jahrhunderts. Das mittlere AoA nimmt um einen Monat pro Dekade ab. Die Verstärkung des unteren Astes der BDC ist für die zweite Hälfte des 20. und des 21. Jahrhunderts vergleichbar, wohingegen sich der obere Ast zwischen Vergangenheit und Gegenwart abschwächt und nur zukünftig beschleunigt. Für die Vergangenheit ist die dynamische Reaktion der ansteigenden ODS-Konzentrationen ausschlaggebend, welche eine interhemisphärische Kopplung durch großskalige Wellen induziert. In der Zukunft beeinflussen SST-Änderungen sowohl den unteren als auch den oberen Ast der BDC. Die starke troposphärische Erwärmung, v. a. durch den Anstieg der tropischen SSTs, führt zu einer Aufwärtsverlagerung der subtropischen Strahlströme und der Regionen bevorzugter Wellendissipation. So erreichen vermehrt stationäre und transiente planetare Wellen die Stratosphäre. In höheren Atmosphärenschichten verstärken GWs die BDC. Zudem führt der Strahlungseffekt der GHGs in der oberen Stratosphäre zu einer zukünftigen BDC- Verstärkung, bedingt durch eine Ablenkung stationärer planetarer Wellen und durch Änderungen in den Ausbreitungsbedingungen orographischer GWs.

The Brewer-Dobson Circulation (BDC) controls the transport of air and tracer constituents in the stratosphere and mesosphere. It consists of rising motion in the tropics, poleward flow in the stratosphere and sinking at high latitudes. The BDC consists of two branches: a lower or shallow and an upper or deep branch. The mass transport by the BDC, which includes two components - the zonal mean residual circulation (RC) and two-way quasi-horizontal mixing processes - is driven by atmospheric waves on different spatial and temporal scales. In winter, planetary-scale tropospheric Rossby waves and in all seasons gravity waves (GWs) propagate upward, dissipate, and transfer their momentum to the zonal mean stratospheric circulation, inducing a meridional circulation below their breaking levels. From independent model simulations an acceleration of the BDC due to higher greenhouse gas (GHG) concentrations is evident. Causes for the simulated BDC trends are under debate. Particularly the role of GWs and their contribution to climate change is still an open question. The main goal of this PhD thesis is to improve the understanding of BDC changes by means of simulations with the chemistry-climate model EMAC. The focus is on the northern hemisphere winter season where the BDC is most intense. Therefore, several timeslice simulations have been performed, where external forcings, namely the concentrations of GHGs and their influence on sea-surface temperatures (SSTs), as well as ozone depleting substances (ODS), vary separately for past and future conditions. The simulations enable to look for the underlying mechanisms of BDC changes, assessing changes in the RC alone and in the age of stratospheric air (AoA). EMAC simulates an increase in the lower stratospheric tropical upward mass flux until the end of the 21st century of about 2%/decade. The mean AoA, including RC and mixing processes, decreases by about one month/decade. The enhancement of the shallow branch for the second half of the 20th and the 21st century is comparable, while the deep branch of the BDC weakens from past to present and intensifies only in the future. For the past, the dynamical response of rising ODS concentrations is detected to be crucial, inducing an interhemispheric coupling through large scale planetary waves. For the future, SST changes influence both, the shallow and the deep branch of the BDC. An intense tropospheric warming, mainly due to rising tropical SSTs, shifts the subtropical jets and the regions of wave breaking upward, so that more stationary and transient planetary waves reach the stratosphere and strengthen the tropical upward mass flux. In higher layers, GWs become more prominent drivers of the future BDC. Moreover, in the upper stratosphere, the radiative effect of rising GHGs causes a strengthening of the BDC in the future through the deflection of stationary planetary waves to high latitudes and through changes in the propagation properties of orographic GWs.