Polare Stratosphärenwolken und Mesoskalige Dynamik am Polarwirbelrand

Abstract

Im Rahmen dieser Dissertation wird der Einfluß verschiedener mesoskaliger dynamischer Prozesse in der Atmosphäre auf die Bildung polarer Stratosphärenwolken (polar stratospheric clouds, PSCs) untersucht.

Der Arbeit liegen Messungen von PSCs zugrunde, die mit der Fernerkundungs- Methode Lidar (Light Detection and Ranging) in Sodankylä (Finnland, 67.25° N, 26.65°E) und Ny-Ålesund (Spitzbergen, 78.55°N, 11.55°E) während der Winter 1997/1998 bis 1999/2000 durchgeführt wurden. Die meteorologischen Bedingungen der arktischen Stratosphäre während der Messwinter werden umrissen. Insbesondere der Winter 1999/2000 war durch einen stabilen, kalten Polarwirbel gekennzeichnet. Aus diesem Zeitraum werden die Messungen von PSCs aus festen und/oder flüssigen Partikeln vorgestellt, d.h. die PSC Typen I a und I b, sowie Typ I a/b-Mischungen und PSCs mit 'Sandwich-Struktur'. Zusätzlich werden die außergewöhnlichen PSC- Ereignisse vom 24./25. Januar und 26./27. Januar 2000 behandelt, die mit sehr großen PSC-Partikeln ('NAT- Rocks') in Verbindung gebracht werden.

Erstmals werden PSC-Beobachtungen am Rand des Polarwirbels (Sodankylä) mit Beobachtungen im Zentrum des Polarwirbels (Ny-Ålesund) verglichen. Dabei zeigt sich, dass die Existenz von PSCs am Polarwirbelrand offenbar begünstigt ist. Es werden 3 Ansätze verfolgt, um diese Beobachtung zu erklären. Zum einen wird gezeigt, dass Temperaturfluktuationen in stratosphärische Leewellen, die am skandinavischen Gebirge angeregt werden, über Sodankylä zur Entstehung von Wassereis-PSCs bei synoptischen Temperaturen über dem Eisgefrierpunkt führen können. Bei diesem Ansatz geht man davon aus, dass die stratosphärischen Temperaturen lokal unter die PSC-Existenztemperaturen verschoben werden. Zum anderen wird in der vorliegenden Arbeit der neue Ansatz verfolgt, dass Schwankungen von Spurengasen (insbesondere H2O) zu einer lokalen Verschiebung der PSC-Existenztemperaturen führen. In diesem Zusammenhang wird die Bildung von Filamentstrukturen am Polarwirbel- rand mit Hilfe der Konturadvektions-Simulationsmethode berechnet. Die gemeinsame Analyse von Filamentstrukturen und PSC-Messungen zeigt, dass sich auf Basis der Messdaten keine erhöhte oder verminderte PSC-Wahrscheinlichkeit aufgrund von Extrusionen oder Intrusionen nachweisen lässt. Hingegen kann die Verteilung stratosphärischen Wasserdampfes innerhalb des Wirbels eine Erklärung für die unterschiedlichen PSC-Beobachtungen geben. Maximale H2O-Mischungsverhältnisse treten aufgrund der stärkeren Absinkbewegung im Randbereich des Wirbels auf, so dass hier die PSC-Existenztemperaturen zu höheren Temperaturen verschoben sind, während sie im Wirbelzentrum aufgrund des geringeren H2O-Gehalts zu niedrigeren Temperaturen verschoben sind.

Durch die Kombination der experimentellen Ergebnisse des Lidarverfahrens mit meteorologischen Ansätzen der Atmosphärendynamik konnte ein differenziertes Bild der PSC-Existenz im nordhemisphärischen Polarwirbel aufgezeigt werden.

The influence of mesoscale atmospheric dynamics on the formation of polar stratospheric clouds (PSCs) is investigated, based on lidar (light detection and ranging) measurements performed in Sodankylä (Finland, 67.25° N, 26.65°E) and Ny-Ålesund (Spitsbergen, 78.55°N, 11.55°E).

The meteorological situation of the arctic stratosphere during the winters 1996/1997 to 1999/2000 is described. As the winter 1999/2000 was characterized by a very cold and stable polar vortex, the period was chosen for a study on different PSC types. Measurements of PSCs consisting of solid and/or liquid particles are presented, namely the PSC types I a and I b as well as type I a/b-mixtures and "sandwich-PSCs". In addition, the extraordinary PSC events of January 24/25 and January 26/27, 2000, and their likely composition of very large particles ('NAT-rocks') are pointed out.

For the first time, PSC observations at the edge (Sodankylä) and in the centre (Ny-Ålesund) of the polar vortex are compared. It is found that the existence of PSCs is favoured at the vortex edge. Three approaches are made to explain this result. First, it is shown that temperature fluctuations in stratospheric lee waves (induced at the Scandinavian mountain ridge) lead to the formation of water ice PSCs above Sodankylä although the synoptic temperatures are above the frost point. The lee wave approach suggests that stratospheric temperatures are locally shifted below the PSC existence temperature. In the following, the submitted thesis tracks a new idea by suggesting the PSC existence temperature being shifted to higher temperatures by a fluctuation in trace gases (especially H2O). In this context, the development of filaments at the vortex edge is calculated using the contour advection method. However, the analysis of PSC data together with filamentary structures shows no enhancement or reduction of the PSC probability in the presence of extrusions or intrusions. Finally, the water vapour distribution within the polar vortex gives an explanation on the different PSC observations. Due to the strong descent, maximum H2O-mixing ratios occur at the vortex edge, shifting PSC existing temperatures to higher temperatures. In the centre of the vortex, PSC existence temperatures are shifted to lower temperatures due to the scarceness of water vapour.

By combining the experimental lidar results with the meteorological approaches of atmospheric dynamics, it was possible to point out a complex picture of PSC existence in the northern hemispheric polar vortex.