Dekadische Änderungen der längenabhängigen Ozonverteilung und ihre Wirkung auf die Koppelung der atmosphärischen Schichten Dieter H.W. Peters und Axel Gabriel, Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik an der Universität Rostock, Kühlungsborn, Mecklenburg Motivation + es gibt stratosphärische zonal asymmetrische Ozon-Änderungen in der dekadischen Zeitskala + vorherige Studien zeigen, dass das längenabhängige Ozon (O3*) in der UT/LS Region einen signifikanten Einfluss auf die troposphärische Zirkulation infolge der Strahlungsanregung hat + die Erweiterung dieser Untersuchung auf die mittlere Atmosphäre, wo die direkte solare Strahlung wichtiger wird über das Ozon, ist das Ziel dieser Studie DKT7-06-dpe-1

Motivation (1) Beobachtung TOMS Modell LIMO3 DU Trend der geopotentiellen Höhe Januar 1959-2001 (zonal asymmetrisch, 300 hPa, m/ a) Dekadische Änderung von O3* für Januar - 1980er Beobachtung TOMS Modell LIMO3 DU Weiße Linien zeigen Gebiete mit Signifikanz (>95%) nach Peters & Entzian J.Clim. 1999 nach Peters & Entzian 2006 Sei Regression gegeben, so folgt auch eine trendartige O3* Änderung. DKT7-06-.dpe-2

Motivation (2) nach Kirchner & Peters 2003 Sensitivitäts-Experiment mit O3* Änderung: Resultate für GCM ECHAM4 nach Kirchner & Peters 2003 DKT7-06-.dpe-3

Motivation (3) Offene Fragen + Welche Struktur haben die dekadischen und trendartigen zonal asymmetrischen Ozon-Änderungen in der mittleren Atmosphäre? + Welche direkten oder indirekten Effekt hat die induzierte Änderung der solaren Strahlungsanregung? + Wie beeinflussen die zonal asymmetrischen Ozon-Änderungen die Koppelung der atmosphärischen Schichten? Projekt “SORACAL” ist Teil der deutschen CAWSES Aktivitäten: Die Ziele sind + die Bestimmung der langzeitigen Änderungen der zonal asymmetrischen Ozon- Variationen von Analysen (ERA-40) + die Abschätzung ihrer direkten und indirekten Effekte von der Troposphäre bis zur Mesosphäre basierend auf dem GCM MAECHAM5 (bis 0.01 hPa etwa 80 km) + die Untersuchung ihrer Einflüsse auf die atmosphärische Langzeit-Variabilität und Koppelung der atmosphärischen Schichten (eingeschlossen solare Variabilität) DKT7-06-.dpe-4

90er max. Amplitude: 0.8 mg/kg (10%) Dekadische Änderungen des zonal asymmetrischen Ozon O3* bei 10 hPa – ERA – 40 – Datensatz 60er 70er 80er 90er max. Amplitude: 0.8 mg/kg (10%) DKT7-06-.dpe-5

Trend im zonal asymmetrischen Ozon und in der Temperatur bei 10 hPa – ERA – 40 - Datensatz Trend des Ozons [µg/kg/a] Trend der Temperatur [K/a] O3* T* 10 hPa ( Bem.: 20 g/kg Jahr-1 = 0.2 mg/kg Dekade-1 , 0.1 K Jahr-1 = 1 K Dekade-1 ) DKT7-06-.dpe-6

Modell und Ansatz GCM MAECHAM5 (Auflösung: T42, 39 Schichten bis 0.01 hPa)  Roeckner et al., MPI Report 349, 2003 Kontrolllauf: 10 Jahre mit AMIP-SST 1989-1999, einschließlich der zonal gemittelten Ozon Klimatologie (Fortuin & Kelder, 1998) Modell Experiment: Januar mittlere zonale Ozon Variationen O3* der 1990er (ERA-40) wurden addiert, Start mit Oktober (500hPa ≥ p ≥ 1ha,  ≥ 30° N)  10 Winterperioden (DJF) mit und ohne O3* DKT7-06-.dpe-7

Strahlungsstörungen infolge der zonal asymmetrischen Ozon - Variation O3* in der 50 hPa - Schicht Solare (links) und thermische (rechts) Erwärmungsrate [K Tag-1] induziert durch O3* in 50 hPa, gemittelt über Januar (berechnet mit MAECHAM5) DKT7-06-.dpe-8

Strahlungsstörungen durch O3* – Nordatlantik / Europa Region Solare (llinks) und thermische (rechts) Erwärmungsraten [K Tag-1] induziert durch O3*, gemittelt über Januar und über den zonalen Sektor von 60° W-30° O DKT7-06-.dpe-9

Modellresultate: Temperatur Störung T. bei 50 hPa (ca Modellresultate: Temperatur Störung T* bei 50 hPa (ca. 20 km) induziert durch O3* Mittlere Abweichungen von der zonal gemittelten Temperatur ohne (links) und mit O3* (mittig); sowie die Differenz DT (rechts), (jeweils über 10 Winterperioden der 1990er) DKT7-06-.dpe-10

Modellresultate: Temperatur Störung T. bei 5 hPa (ca Modellresultate: Temperatur Störung T* bei 5 hPa (ca. 35 km) induziert durch O3* Mittlere Abweichungen von der zonal gemittelten Temperatur ohne (links) und mit O3* (mittig); sowie die Differenz DT (rechts), (jeweils über 10 Winterperioden der 1990er) DKT7-06-.dpe-11

Zeigt die Koppelung zwischen der Stratosphäre und Mesosphäre Modellresultate: Temperatur Störung T* bei 0.1 hPa (ca. 65 km) induziert durch O3* Mittlere Abweichungen von der zonal gemittelten Temperatur ohne (links) und mit O3* (mittig); sowie die Differenz DT (rechts), (jeweils über 10 Winterperioden der 1990er) Zeigt die Koppelung zwischen der Stratosphäre und Mesosphäre DKT7-06-.dpe-12

Neuer Fokus: Koppelung zwischen Stratosphäre und Troposphäre? In der UT/LS Region existieren verschiedene Typen von Ereignissen mit polwärts bzw. äquatorwärts brechenden Rossby - Wellen U 1 P2 2 LC1 P2-Typ RWB typisches Auftreten in Regionen mit diffluenter großräumiger Strömung (Peters & Waugh, JAS, 1996; Peters & Waugh, MWR, 2003) Antizyklonales bzw. zyklonales RWB wird angezeigt durch einen südwärts bzw. nordwärts gerichteten Wellenfluss (Esler & Haynes, JAS, 1999) Meridionale Komponente des Wellenaktivitätsflusses (Plumb, 1985; Takaya & Nakamura, 1997) wird kombiniert mit der diffluenten bzw. konfluenten Strömungseigenschaft, angezeigt durch die räumliche Änderung von  Neuer RWB – Parameter wie z.B. RWB-P2 DKT7-06-.dpe-13

Modellresultate: Mittleres Geopotential und polwärts gerichtetes Rossby – Wellenbrechen in den 1990er Geopotentielle Höhe  [m] und RWB – Parameter RWB-P2 [m2s-2], gemittelt über 10 Winterperioden von 1989-99. DKT-06-.dpe-14

Modellresultate: Dekadische Änderungen für RWB Typ P2 (polwärts, stromabwärts) induziert durch O3* – MAECHAM5 50° N RWB-P2 für 50°N , gemittelt über 10 Winterperioden von 1989-99. rot: mit zonaler Ozonvariation O3* blau: ohne O3* DKT-06-.dpe-15

Resultate - Zusammenfassung ● Die dekadische Amplitudenzunahme der planetaren Welle-1-Structur des Ozons (O3*) in der mittleren und oberen Stratosphäre (abgeleitet aus den ERA-40 Datensatz) wurde bestimmt. ● Die dadurch erzeugte Strahlungsänderung bewirkt eine Zunahme der Amplitude und eine Phasenverschiebung der planetaren Welle 1 in der Temperatur (GCM ECHAM5; geänderten Ausbreitungsbedingungen der planetaren Welle). Temperaturänderung: - 1-2 K in der unteren Stratosphäre - 2-3 K in der mittleren / oberen Stratosphäre - 3-4 K in der unteren Mesosphäre ● Die induzierte Änderung in der planetaren Welle 1 Struktur (d.h. Position & Stärke des Polarwirbels) erzeugt eine Westwärts - Verschiebung und Verstärkung der diffluenten Strömungsfelder und damit mehr polwärts gerichtetes RWB-P2 in der UT/LS Region über dem westlichen Nordatlantik. ● Die indizierten Änderungen in Position und Stärke des Polarwirbels und das veränderte regionale Auftreten von polwärts gerichtetem RWB in dem Nordatlantik – Europa-Sektor zeigen die unterschiedliche Koppelung der atmosphärischen Schichten in verschieden Regionen an. DKT7-06-.dpe-16