Dekadische längenabhängige Ozonänderungen der Nordhemisphäre für den mittleren Januar 1960-2000

Die Bewertung der Wirkung der Ozonchemie an einem beliebigen Ort in der Atmosphäre infolge natürlich und anthropogen erzeugter Luftbeimengungen erfordert das Wissen über dynamisch induzierte Ozonvariationen an diesem Ort.

Viele Beobachtungs- und Modellstudien zum Ozon beschäftigen sich mit den Prozessen, die die zonal gemittelte Ozonvariabilität bestimmen. Die Struktur der längenabhängigen dekadischen Ozonänderungen zu untersuchen, ist darüber hinaus von großem wissenschaftlichem Interesse. Zum Beispiel war die Gesamtozonabnahme über Zentraleuropa in der 1980er Dekade zweimal größer als die der zonal gemittelten Änderung (Peters & Entzian, J. Climate, 12, 1999). Das bedeutet, dass der längenabhängige Anteil der Ozonänderung von der gleichen Größenordnung war wie die Ozonänderung des zonal gemittelten Anteils. Es wurde darüber hinaus gezeigt, dass die dekadische Wellenstruktur in der geopotentiellen Höhe die längenabhängigen dekadischen Ozonänderungen verursacht. Der meridionale Ozontransport durch sich ändernde planetare Wellen dominiert in der Höhenregion von der oberen Troposphäre bis zum Ozonschichtmaximum in etwa ~ 20 km Höhe in den nordhemisphärischen Wintern der 80er Jahre. Die längenabhängigen Ozonänderungen haben viele Implikationen, zum Beispiel sind sie wichtig für das Auftreten von tiefen Ozonminilöchern oder für die Dynamik von Rückkopplungsprozessen (siehe Kap. 47). In dieser Studie erweitern wir unsere Untersuchung der 1980er Dekade auf die Periode von 1959 bis 2001. Die Ergebnisse stellen eine erste Approximation der dekadischen Änderungen für die längenabhängige Ozonverteilung der 4 Dekaden dar, die bisher unbekannt waren. Erst durch die NCEP Re Analysen, die diese Periode umfassen, und mit der Hilfe eines linearen Transportmodells für großräumige Wellen war es möglich, die dekadischen Änderungen für alle 4 Dekaden zu berechnen.

Abb. 1: Geopotentielle Höhenstörung über Zentraleuropa (50° N, 10° O) in der 300 hPa Schicht. Lineare Regression mit der Zeit (2,5 m/a) (Trend, gerade Linie) und 11 Jahre gleitendes Mittel (dekadische Änderung, gestrichelte Linie).

Die zonal gemittelte Ozonverteilung wurde nach NASA Messungen mit Satelliten für Januar 1979 fest vorgegeben (McPeters et al., J. Geophys. Res., 89, 1984), um nur die von Wellen induzierten Transporte zu bestimmen. Wir berechneten eine 3-dimensionale Ozonverteilung der Ozonänderungen bis etwa 30 km Höhe, aber diskutieren im Folgenden nur Gesamtozonänderungen. Die monatlich gemittelten Januarwerte der geopotentiellen Höhenstörung (Abweichung vom zonalen Mittel) über Zentraleuropa (50° N, 10° O) in der 300 hPa Schicht sind in der Abb. 1 für die Periode 1959- 2001 dargestellt, als ein guter Indikator für die großräumige Wellendynamik in der oberen Troposphäre und in der unteren Stratosphäre über Europa.

Sie zeigen eine hohe Variabilität um 150 m. Trotzdem kann eine dekadische Änderung, definiert durch ein 11-jähriges gleitendes Mittel, identifiziert werden. Sie zeigt, dass eine Ozonzunahme in den 1960er und 1980er sowie eine Abnahme in den 1970er und 1990er aufgetreten sind. Wenn wir auch nach dem Trend fragen, erhalten wir für die lineare Regression mit der Zeit etwa 2,5 mJahr-1, der statistisch signifikant ist (>95%). Die Zunahme von etwa 100 m in 4 Dekaden ist von der gleichen Größenordnung wie die der dekadischen Änderung der 80er. Eine hemisphärische Studie des Trends der geopotentiellen Höhen in 300 hPa der Jahre 1959-2001 ergibt ein ausgedehntes Gebiet der Zunahme über Europa und eines der Abnahme über dem Nordatlantik, die auch statistisch signifikant sind (>95%).

Abb. 46.2: Modellergebnisse für dekadische Änderungen des Gesamtozons (DU) für die 1960er (a), 1970er (b), 1980er (c) und 1990er (d) berechnet mit Differenzen von 5 Jahresmittelwerten (Ende minus Anfang) der geopotentiellen Höhe für Januar (blau - Abnahme, rot - Zunahme).

Diese Änderungen der großräumigen Wellenstruktur können durch natürliche Variabilität der Zirkulation oder anthropogen verursacht sein. Wir haben die dekadische Gesamtozonänderung als Funktion der dekadischen Differenzen von 5 Jahresmittelwerten (Ende minus Anfang) der geopotentiellen Höhen berechnet. Die Ergebnisse sind in der Abb. 2 dargestellt. In den 1960er und 1980er finden wir eine Abnahme des Gesamtozons von etwa 15 DU über Zentral und Nordeuropa aber in den 1970er und 1990er eine Zunahme von etwa 10 DU; umgekehrt verhält es sich über dem Nordatlantik. In den 1970er besteht eine starke Gesamtozonabnahme über dem Nordatlantik und eine starke Zunahme in den 1980er. über Sibirien finden wir eine starke Abnahme in den 1980er und eine Zunahme in den 1990er. Eine starke Zunahme wurde über dem westlichen Nordamerika in den 1960er und über dem pazifischen Ozean in 1970er gefunden. Die dekadischen Änderungen der 1980er und 1990er wurden mit Beobachtungen der TOMSSatelliten Nimbus 7 und Earth Probe verglichen. Wir fanden eine gute Übereinstimmung dieser Messungen mit den Modellrechnungen für dekadische Gesamtozonänderungen auf der Nordhemisphäre für Januar.

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