dc.contributor.author
Matthes, Katja
dc.date.accessioned
2018-06-07T17:53:07Z
dc.date.available
2003-12-17T00:00:00.649Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/4388
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-8588
dc.description
Titel -
Inhaltsverzeichnis I-IV
Einleitung 1
1 Die Sonne 5
1.1 Historisches 5
1.2 Enstehung, Lage und Aufbau der Sonne 6
1.2.1 Das Sonneninnere 8
1.2.2 Die Sonnenatmosphäre 11
1.3 Das Magnetfeld der Sonne 14
1.3.1 Aktivitätserscheinungen 15
1.3.2 Indizes der Sonnenaktivität 22
1.4 Die elektromagnetische Strahlung der Sonne 24
1.4.1 Spektrale Energieverteilung 25
1.4.2 Totale solare Einstrahlung - Solarkonstante 30
1.5 Variationen der Solarstrahlung 32
1.5.1 27-tägige Rotationsperiode 32
1.5.2 11-jähriger Zyklus 34
1.5.3 Maunder Minimum 41
1.6 Globale Strahlungsbilanz des Klimasystems 42
2 Der Einfluss der Sonnenvaribilität auf das Klima 45
2.1 Verfügbarkeit von Beobachtungsdaten 46
2.2 Einsatz von Modellen 47
2.3 Hinweise für einen Einfluss der Sonnenvaribilität auf das Klima 48
2.4 Der 11-jährige Sonnenfleckenzyklus in der Stratosphäre 50
2.4.1 Beobachtungen 51
2.4.2 Modellstudien 65
2.5 Mechanismen für den Einfluss des 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus 72
2.5.1 Der Einfluss von QBO und SAO 76
2.5.2 Der Transfer in die Troposphäre 78
2.5.3 Der Einfluss des Sonnensignales auf die Jahr-zu-Jahr Variabilität der
winterlichen Stratosphäre 80
3 Das Berliner Modell 83
3.1 Die primitiven Gleichungen 83
3.2 Modellbeschreibung 87
3.2.1 Strahlungstheorie 88
3.2.2 Strahlungsmodul 96
3.2.3 Weiterentwicklung des Strahlungsmoduls 101
3.3 Experimentbeschreibung 103
3.3.1 Strahlungsflussänderungen 104
3.3.2 Ozonänderungen 105
3.3.3 Anpassung der äquatorialen Winde 105
3.4 Stärken und Schwächen des Modelles 111
3.4.1 Veränderung der Modellklimatologie 114
4 Der GRIPS-Vergleich 117
4.1 Das Temperatursignal 119
4.2 Das Wintersignal 120
4.2.1 Wind 120
4.2.2 Geopotentielle Höhe 120
4.3 Klimatologie der Modelle 123
4.4 Ergebnisse des GRIPS-Modellvergleiches 124
4.5 Resultierende Veränderungen im Berliner Modell 124
4.6 Das Sonnensignal im Jahresmittel 124
5 Der Einfluss des 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus im Modell 127
5.1 Der direkte Effekt in der oberen Stratosphäre 128
5.2 Jahreszeitliche Abhängigkeit des Signales 129
5.2.1 Der direkte Strahlungseffekt 129
5.2.2 Das Wintersignal 133
5.2.3 Indirekte Effekte - ein möglicher Mechanismus 140
5.2.4 Das Sommersignal 148
5.3 Diskussion der Ergebnisse 149
5.3.1 Verbesserungen im Vergleich zu anderen Modellstudien 149
6 Der Einfluss von Sonnenfleckenzyklus und QBO im Modell 151
6.1 Das Wintersignal 151
6.1.1 Der "Holton und Tan Mechanismus" im Modell 152
6.1.2 Nordhemisphäre 154
6.1.3 Südhemisphäre 160
6.1.4 Die Verbindung zur tropischen unteren Stratosphäre 162
6.2 Das Sommersignal 165
6.3 Diskussion der Ergebnisse 166
6.3.1 Erzielte Verbesserungen 166
6.3.2 Vergleich zu anderen FUB-CMAM Experimenten 166
6.3.3 Die Verbesserung der Windklimatologie 169
6.3.4 Die SAO-Ausprägung, das Westwind-Initialsignal und der subtropische
Strahlstrom 171
6.4 Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse 178
7 Das Signal in der Troposphäre 181
7.1 Ein Sonnensignal in der Troposphäre? 181
7.1.1 Änderungen des troposphärischen Strahlstromes 182
7.1.2 Änderungen der Temperatur und tropischer Vertikalbewegungen 184
7.1.3 Änderungen des Niederschlages und der Bewölkung 187
7.1.4 Änderungen am Erdboden 190
7.2 Diskussion der Ergebnisse 192
8 Zusammenfassung 193
8.1 Ausblick 198
Literaturverzeichnis 198
Abkürzungen 219
Anhang 221
A.1 Elektromagnetische Strahlung 221
A.2 Schwarzer Körper 223
A.3 Strahlungsgesetze 224
Danksagung 229
dc.description.abstract
Diese Arbeit zeigt den Einfluss von 11-jährig variierenden solaren UV-
Strahlungsänderungen auf die Atmosphäre anhand von Studien mit einem
dreidimensionalen Modell der Mittleren Atmosphäre (Freie Universität Berlin
Climate Middle Atmosphere Model (FUB-CMAM)). Erstmals kann der Mechanismus für
die Übertragung des Sonnensignales von der oberen Stratosphäre bis in die
Troposphäre, wie er bisher verstanden und aus Beobachtungen abgeleitet wurde,
mit einem Modell nachvollzogen werden.
Im FUB-CMAM wurde zuerst die kurzwellige Strahlungsparametrisierung
verfeinert, um die stark wellenlängenabhängigen solaren UV-
Strahlungsänderungen mit dem 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus genauer vorgeben
zu können. Die Ergebnisse der Simulationen mit dieser erweiterten
Modellversion wurden im Rahmen eines internationalen Modellvergleich-Projektes
GRIPS mit den Ergebnissen von vier anderen Klimamodellen verglichen und die
Defizite dieser Simulationen untereinander und im Vergleich zu Beobachtungen
analysiert. Unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse wurden weitere
Experimente mit dem FUB-CMAM durchgeführt, in denen systematisch die
äquatoriale Windklimatologie verbessert wurde. Die Anpassung der äquatorialen
Modellwinde an beobachtete Winde über die gesamte Stratosphäre mit einer quasi
zweijährigen Windschwingung (Quasi-Biennial Oscillation) in der unteren und
einer halbjährigen Schwingung (Semi-Annual Oscillation) in der oberen
Stratosphäre stellte einen entscheidenden Schritt für die erste realistische
Repräsentation des beobachteten stratosphärischen Sonnensignales im
nordhemisphärischen Winter in einem Modell dar. Die Ergebnisse zeigen, dass
das direkte Sonnensignal aus der oberen Stratosphäre über dynamische
Wechselwirkungsmechanismen verstärkt und bis in die Troposphäre hinein
übertragen wird. Neben einer Erwärmung der mittleren Atmosphäre im
Sonnenfleckenmaximum ergeben sich auch Änderungen von Zirkulationsmustern in
der Troposphäre. Das Modell ist nicht nur in der Lage das Sonnensignal,
sondern auch die beobachtete Wechselwirkung mit den tropischen
Windschwingungen in den hohen Breiten zu reproduzieren: Wie in der Realität
treten im Modell große Stratosphärenerwärmungen in der Westphase der QBO unter
Sonnenfleckenmaximum-Bedingungen auf.
Das Verständnis für den Einfluss der Sonnenvariabilität auf das Klima ist für
eine genauere Bestimmung der natürlichen Variabilität der Atmosphäre von
außerordentlicher Bedeutung. Damit können der anthropogen bedingte Anteil der
globalen Erwärmung besser abgeschätzt und künftige Klimaentwicklungen genauer
vorhergesagt werden. Die Arbeit zeigt unter anderem, dass die indirekten
Zirkulationsänderungen aufgrund von direkten UV-Strahlungsänderungen in der
Stratosphäre nicht zu vernachlässigende Größenordnungen erreichen und daher
bei zukünftigen Klimaabschätzungen ergänzend zu den anthropogenen Faktoren
berücksichtigt werden sollten.
de
dc.description.abstract
This thesis demonstrates the influence of 11-year solar UV irradiance changes
on the atmosphere with studies of a three dimensional middle atmosphere model
(Freie Universität Berlin Climate Middle Atmosphere Model (FUB-CMAM)). For the
first time a mechanism for the transfer of the solar signal from the upper
stratosphere into the troposphere is confirmed using a general circulation
model.
The parameterisation of the shortwave radiation in the FUB-CMAM was first
refined to allow a better implementation of the wavelength dependent 11-year
solar UV irradiance changes. The results of the simulations with the improved
model version were compared to those of four other climate models within the
international model intercomparison project GRIPS to determine their
deficiencies in comparison with observations and with each other. Taking into
account these results, further experiments with a systematically improved
equatorial wind climatology were carried out with the FUB-CMAM. The relaxation
of the equatorial winds throughout the stratosphere to a quasi-biennial
oscillation (QBO) in the lower stratosphere and a semi-annual oscillation
(SAO) in the upper stratosphere were necessary to produce the first realistic
representation of the observed stratospheric solar signal during northern
hemisphere winter in a model. The direct solar signal in the upper
stratosphere is enhanced through wave-mean flow interactions and is
transferred to the troposphere. A warming of the middle atmosphere during
solar maximum as well as changes in circulation patterns in the troposphere
are simulated. The model not only reproduces the solar signal but also the
observed interaction with the tropical winds at high latitudes: Similar to
observations, stratospheric warmings occur during solar maximum and QBO
westerlies.
The understanding of the solar influence on climate is very important to
determine the underlying natural variability of the atmosphere, to better
estimate the anthropogenic contribution to the recent global warming and to
improve the accuracy of future climate predictions. This work also
demonstrates the importance of indirect circulation changes induced by direct
UV irradiance changes in the stratosphere which should therefore be considered
for future climate predictions.
en
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
solar variability
dc.subject
natural climate variability
dc.subject
Quasi-Biennial Oscillation
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::550 Geowissenschaften
dc.title
Der Einfluss des 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus und der QBO auf die
Atmosphäre - eine Modellstudie
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Karin Labitzke
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Ulrich Cubasch
dc.date.accepted
2003-11-25
dc.date.embargoEnd
2003-12-18
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-2003003259
dc.title.translated
The Influence of the 11-Year Solar Cycle and the QBO on the Atmosphere - a
model study
en
refubium.affiliation
Geowissenschaften
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000001144
refubium.mycore.transfer
http://www.diss.fu-berlin.de/2003/325/
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