Untersuchung zur Kopplung von Stratosphäre und Troposphäre durch Strahlungsflussänderungen mit dem Klima-Chemie-Modell EMAC

Abstract

Diese Arbeit ist im Rahmen der zweiten Phase des Projekts Stratospheric Change and its Role for Climate Prediction (SHARP II) entstanden und beschäftigt sich mit der Strahlungskopplung zwischen der mittleren Atmosphäre und der Troposphäre. Dazu wird das Klima-Chemiemodell ECHAM/MESSy Atmosphere Chemistry (EMAC) mit einem kurz zuvor entwickelten Submodell RAD verwendet. Berechnet werden 2-Jahres-Zeitscheiben-Simulationen ohne interaktive Chemie. Initialisiert mit den atmosphärischen Bedingungen von 1960 und den gemittelten Treibhausgasen von 1960- 1969 können mit dem Submodell RAD parallel 8 weitere Strahlungsaufrufe mit geänderter Atmosphärenzusammensetzung ausgeführt werden. Diese berechnen diagnostisch den instantanen und/oder adjustierten Strahlungsantrieb und die Heizraten, sowie den stratosphärischen Temperaturausgleich unter Berücksichtigung des fixed dynamical heating (FDH)-Konzepts. Dieses Submodell erlaubt Änderungen im Strahlungsantrieb aufgrund von Änderungen der chemischen Zusammensetzung der gesamten Atmosphäre, sowie der Teilbereiche (Troposphäre, Stratosphäre-Mesosphäre) einzeln zu bestimmen. Untersucht wurden damit die verschiedenen Einflüsse der einzelnen strahlungsaktiven Gase (O3, CO2, CH4, N2O, CFC-11, CFC-12-eq), unter anderem in Bezug auf die Temperatur am Boden und in der mittleren Atmosphäre für die Vergangenheit und die Zukunft.Weiterhin wurden die Beiträge des Strahlungsantriebs für die individuellen Änderungen der Treibhausgase bestimmt. So zeigt sich, dass CO2 in allen Zukunftsszenarien (RCP4.5, RCP6.0, RCP8.5) den größten Einfluss hat, gefolgt von O3, CH4, N2O und CFC-12-eq, welche je nach betrachteter Dekade und Szenario überwiegen. Auch wenn CO2 alle Änderungen dominiert, sollten die anderen strahlungsaktiven Gase nicht vernachlässigt werden, denn sie zeigen sehr unterschiedliche Charakteristika. Es stellte sich heraus, dass sich ihre jeweilig stärksten Einflussgebiete in verschiedenen Atmosphärenhöhen befinden und auch deutlich von der geographischen Breite abhängen. Vor allem bei der Betrachtung von Ozon ist dies zu beachten, da sich die Mischungsverhältnisse deutlich mit der Zeit, der geographischen Breite und Atmosphärenschicht unterscheiden. Weiterhin wurden die zukünftigen Temperaturänderungen in der mittleren Atmosphäre berechnet und in einen dynamisch induzierten und einen durch Strahlungsänderungen hervorgerufenen Anteil separiert. Der durch Strahlungsänderungen hervorgerufene Anteil zeigt in der gesamten mittleren Atmosphäre eine zukünftige Abkühlung, welche vor allem durch CO2 hervorgerufen wird. Der dynamisch induzierte Anteil zeigt im zonalen Mittel sowohl Gebiete mit Erwärmungen, als auch welche mit Abkühlungen. Diese ändern sich je nach Saison, Szenario und betrachteter Atmosphärenschicht bzw. geographischer Breite. Im Zusammenspiel all dieser Faktoren zeigen sich eine zukünftige Verstärkung der mittleren Meridionalzirkulation in der Stratosphäre und eine Abschwächung in der Mesosphäre. Insgesamt bilden die Ergebnisse dieser Arbeit die Grundlage zukünftiger Änderungen in der mittleren Atmosphäre besser zu verstehen und den Einfluss anthropogener Emissionen auf das Klima besser einschätzen zu können.