Variationen der stratosphärischen Residualzirkulation und ihr Einfluss auf die Ozonverteilung

Variations of the residual circulation and its impact on ozone

  • Die Residualzirkulation entspricht der mittleren Massenzirkulation und beschreibt die im zonalen Mittel stattfindenden meridionalen Transportprozesse. Die Variationen der Residualzirkulation bestimmen gemeinsam mit dem anthropogen verursachten Ozonabbau die jährlichen Schwankungen der Ozongesamtsäule im arktischen Frühling. In der vorliegenden Arbeit wird die Geschwindigkeit des arktischen Astes der Residualzirkulation aus atmosphärischen Daten gewonnen. Zu diesem Zweck wird das diabatische Absinken im Polarwirbel mit Hilfe von Trajektorienrechnungen bestimmt. Die vertikalen Bewegungen der Luftpakete können mit vertikalen Windfeldern oder entsprechend einem neuen Ansatz mit diabatischen Heizraten angetrieben werden. Die Eingabedaten stammen aus dem 45 Jahre langen Reanalyse-Datensatz des "European Centre for Medium Range Weather Forecast" (ECMWF). Außerdem kann für die Jahre ab 1984 die operationelle ECMWF-Analyse verwendet werden. Die Qualität und Robustheit der Heizraten- und Trajektorienrechnungen werden durch SensitivitätsstudienDie Residualzirkulation entspricht der mittleren Massenzirkulation und beschreibt die im zonalen Mittel stattfindenden meridionalen Transportprozesse. Die Variationen der Residualzirkulation bestimmen gemeinsam mit dem anthropogen verursachten Ozonabbau die jährlichen Schwankungen der Ozongesamtsäule im arktischen Frühling. In der vorliegenden Arbeit wird die Geschwindigkeit des arktischen Astes der Residualzirkulation aus atmosphärischen Daten gewonnen. Zu diesem Zweck wird das diabatische Absinken im Polarwirbel mit Hilfe von Trajektorienrechnungen bestimmt. Die vertikalen Bewegungen der Luftpakete können mit vertikalen Windfeldern oder entsprechend einem neuen Ansatz mit diabatischen Heizraten angetrieben werden. Die Eingabedaten stammen aus dem 45 Jahre langen Reanalyse-Datensatz des "European Centre for Medium Range Weather Forecast" (ECMWF). Außerdem kann für die Jahre ab 1984 die operationelle ECMWF-Analyse verwendet werden. Die Qualität und Robustheit der Heizraten- und Trajektorienrechnungen werden durch Sensitivitätsstudien und Vergleiche mit anderen Modellen untermauert. Anschließend werden umfangreiche Trajektorienensemble statistisch ausgewertet, um ein detailliertes, zeit- und höhenaufgelöstes Bild des diabatischen Absinkens zu ermitteln. In diesem Zusammenhang werden zwei Methoden entwickelt, um das Absinken gemittelt im Polarwirbel oder als Funktion der äquivalenten Breite zu bestimmen. Es wird gezeigt, dass es notwendig ist den Lagrangeschen auf Trajektorienrechnungen basierenden Ansatz zu verfolgen, da die einfachen Eulerschen Mittel Abweichungen zu den Lagrangeschen Vertikalgeschwindigkeiten aufweisen. Das wirbelgemittelte Absinken wird für einzelne Winter mit dem beobachteten Absinken langlebiger Spurengase und anderen Modellstudien verglichen. Der Vergleich zeigt, dass das Absinken basierend auf den vertikalen Windfeldern der ECMWF-Datensätze den Nettoluftmassentransport durch die Residualzirkulation sehr stark überschätzt. Der neue Ansatz basierend auf den Heizraten ergibt hingegen realistische Ergebnisse und wird aus diesem Grund für alle Rechnungen verwendet. Es wird erstmalig eine Klimatologie des diabatischen Absinkens über einen fast fünf Jahrzehnte umfassenden Zeitraum erstellt. Die Klimatologie beinhaltet das vertikal und zeitlich aufgelöste diabatische Absinken gemittelt über den gesamten Polarwirbel und Informationen über die räumliche Struktur des vertikalen Absinkens. Die natürliche Jahr-zu-Jahr Variabilität des diabatischen Absinkens ist sehr stark ausgeprägt. Es wird gezeigt, dass zwischen der ECMWF-Zeitreihe des diabatischen Absinkens und der Zeitreihe aus einem unabhängig analysierten Temperaturdatensatz hohe Korrelationen bestehen. Erstmals wird der Einfluss von Transportprozessen auf die Ozongesamtsäule im arktischen Frühling direkt quantifiziert. Es wird gezeigt, dass die Jahr-zu-Jahr Variabilität der Ozongesamtsäule im arktischen Frühling zu gleichen Anteilen durch die Variabilität der dynamischen Komponente und durch die Variabilität der chemischen Komponente beeinflusst wird. Die gefundenen Variabilitäten von diabatischem Absinken und Ozoneintrag in hohen Breiten werden mit der vertikalen Ausbreitung planetarer Wellen aus der Troposphäre in die Stratosphäre in Beziehung gesetzt.show moreshow less
  • Due to the variability of tropospheric wave activity, the strength of the residual circulation has a distinct seasonal cycle and significant year-to-year variability. The variability of the residual circulation causes interannual variations of the polar ozone layer in late winter and spring. A reverse domain filling trajectory model based on atmospheric data sets is used to calculate the strength and spatial structure of the polar branch of the residual circulation. The atmospheric data sets (ERA-40 and ECMWF Analysis) emerge from a combined analysis of Reanalysis data and a weather forecast model and are available for a time period of 47 years starting from September 1957. Two different approaches are used in the trajectory routine to calculate the vertical movement of air. The first approach is based on the vertical velocity given by "European Centre for Medium Range Weather Forecast" (ECMWF), a quantity that is derived from the divergence of the horizontal winds and that tends to be noisy. In the second approach a radiationDue to the variability of tropospheric wave activity, the strength of the residual circulation has a distinct seasonal cycle and significant year-to-year variability. The variability of the residual circulation causes interannual variations of the polar ozone layer in late winter and spring. A reverse domain filling trajectory model based on atmospheric data sets is used to calculate the strength and spatial structure of the polar branch of the residual circulation. The atmospheric data sets (ERA-40 and ECMWF Analysis) emerge from a combined analysis of Reanalysis data and a weather forecast model and are available for a time period of 47 years starting from September 1957. Two different approaches are used in the trajectory routine to calculate the vertical movement of air. The first approach is based on the vertical velocity given by "European Centre for Medium Range Weather Forecast" (ECMWF), a quantity that is derived from the divergence of the horizontal winds and that tends to be noisy. In the second approach a radiation transfer model is used to calculate the diabatic heating rates from the divergence of the net radiation flux. The derived descent from both methods is compared with measured tracer distributions from satellite data and Arctic field campaigns. The comparison shows that the second approach results in a much more realistic vertical transport. The method based on the diabatic heating rates is used to compile a climatology of the diabatic descent, averaged within the polar vortex for the Arctic winters 1957/58-2003/04. Furthermore, the climatology contains information regarding the spatial structure of the diabatic descent. The influence of the diabatic descent in the Arctic polar vortex on the total ozone column is calculated for the recent winters since 1990. It is shown that the interannual variability of the Arctic total ozone column is in equal shares caused by dynamical transport processes and by chemical ozone depletion.show moreshow less

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Metadaten
Author details:Susann Tegtmeier
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-12118
Supervisor(s):Klaus Dethloff
Publication type:Doctoral Thesis
Language:German
Publication year:2006
Publishing institution:Universität Potsdam
Granting institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2007/01/08
Release date:2007/01/29
Tag:Allgemeine atmosphärische Zirkulation; Ozon; Polarwirbel; Strahlungstransportmodell; Trajektorienmodell
Polar ozone; Polar vortex; Radiation transfer model; Residual circulation; Trajectory model
RVK - Regensburg classification:UT 1080
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
DDC classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
External remark:
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