Untersuchung von Transportprozessen in der Stratosphäre: Simulationen mit einem globalen Zirkulationsmodell

Abstract

Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist es Transportprozesse in der winterlichen Stratosphäre mit Hilfe eines globalen Zirkulationsmodells zu untersuchen. Dafür wurde die horizontale Auflösung im Berliner Zirkulationsmodell erhöht und mit der nunmehr doppelt so hohen Auflösung (T42) eine Untersuchung von spezifischen Transportphänomenen und -prozessen durchgeführt.

Ein neues Ergebnis der vorliegenden Arbeit stellt dabei die Einteilung spezifischer Transportphänomene in Tropische Streamer, Polarwirbel Streamer und Cat Eyes dar, die auf ihre charakteristischen Merkmale in einem ausgesuchten Winter des Berliner Modells untersucht und anhand von Beobachtungsdaten validiert wurden. Dabei stellte sich heraus, dass Streamer nicht zu verwechseln sind mit Filamenten-Laminae.

Um den Einfluss dynamischer Prozesse an dem beobachteten negativen Ozontrend in den mittleren Breiten zu untersuchen wurde eine globale Streamer-Klimatologie (für 10 Jahre) für den Zeitraum Oktober bis Mai mit dem T42-Modell durchgeführt. Bisherige Klimatologien von Transportstrukturen konzentrierten sich auf Filament-Laminae Beobachtungen. Für die Identifizierung von Streamern wurde die Methode der zonalen Anomalie gewählt, die im Vergleich zu anderen Methoden das beste Ergebnis erbrachte. Die Streamer-Klimatologie der Stratosphäre wurde erstmalig in eine Untersuchung der Phänomene Tropische-Subtropische und Polarwirbel Streamer unterteilt. Die Analyse der Monate Oktober bis Mai ergab ein maximales Auftreten von Tropischen Streamern im Winter und Frühjahr in der mittleren bis oberen Stratosphäre. Im langjährigen Mittel treten die höchsten Frequenzen in den Subtropen der Nordhemisphäre auf, die maximal über dem Atlantik und Ostasien werden. Tropische Streamer haben dabei eine ca. vierfach höhere Frequenz als Polarwirbel Streamer. Interessant für die Ozonabnahme in der Stratosphäre ist vor allem die Betrachtung der unteren Stratosphäre, die den stärksten Ozonabbau in den hohen Breiten aufweist. Hierfür wurden die Streamer-Klimatologien des T42-Modells einerseits und die Beobachtungen der 1990er Jahre andererseits verglichen. Der größte Unterschied zwischen den Klimatologien wurde dabei durch die Art der Methode zur Identifizierung von (Tropischen) Streamern verursacht. So wurde eine den Beobachtungen vergleichbare räumliche Streamerhäufigkeit im T42-Modell simuliert, wenn eine ähnliche Methode zur Identifizierung der Streamer verwendet wurde.

Mit dem Berliner Zirkulationsmodell (T42-Auflösung) kann ein Teil des beobachteten negativen Ozontrends in den mittleren Breiten durch dynamische Prozesse erklärt werden. Das Phänomen von Streamern spielt dabei eine nicht zu vernachlässigende Rolle.

The purpose of this study is to investigate transport processes in the winter stratosphere with the aid of a general circulation model. For this reason the horizontal resolution of the Berlin general circulation model was increased. The following investigation of specific transport phenomena and processes was carried out with the doubled model resolution (T42).

A new result of this work is the classification of specific transport phenomena into tropical streamer, polar vortex streamer and cat eyes. These characteristic features were analysed for one particular winter of the Berlin model and validated with observations. It was thereby found, that streamers are not to be mistaken with filament-laminae.

In order to study the influence of dynamical processes on the observed negative ozone trend in mid-latitudes, a global streamer-climatology of 10 years from the time period October-May was calculated. Until now, climatologies of transport phenomena have concentrated on filament-laminae observations. For the identification of streamers, the method of zonal anomaly was chosen, which in comparison to other methods produced the optimal result. For the first time the streamer- climatology of the stratosphere was divided into an investigation of tropical- subtropical and polar vortex streamers. The analysis of the months October-May yielded a maximum occurrence of tropical streamers during winter and spring in the middle and upper stratosphere. In the long-term mean the highest frequencies appeared in the subtropical northern hemisphere, maximising over the Atlantic and East-Asia. Furthermore, tropical streamers exhibited a four times higher occurrence than polar vortex streamers. Interesting for ozone loss in the stratosphere is the consideration of the lower stratosphere, which shows the strongest ozone reduction at high latitudes. Therefore, the streamer climatology of the T42-model was compared to 1990s observations in this region. The largest difference between the climatologies arose from the method chosen to identify (tropical) streamers. A spatial streamer frequency, comparable to observations, was simulated in the T42- model when similiar methods to identify streamers were employed.

The Berlin general circulation model (T42-resolution) was able to explain part of the observed ozone trend in mid-latitudes through dynamical processes. The streamer phenomenon played thereby a non-negligible role.