Die atmosphärische Drehimpulsbalance für die südhemisphärische Polarkappe während der stratosphärischen Erwärmung im September 2002

Zum ersten Mal wurde eine stratosphärische Erwärmung auf der südhemisphärischen Halbkugel im September 2002 beobachtet (Simmons et al., J. Atmos. Sci., 62, 2005). Das WMO-Kriterium für ein so genanntes “major warming” Ereignis wurde am 26. September erfüllt und zeigte eine Umkehr des meridionalen Temperaturgradienten zwischen 60 °S und dem Südpol. In der oberen Stratosphäre oszillierte der mittlere Zonalwind im späten September 2002 und zeigte abwärts bis 1 kPa sowie südlich einer Breite von 60 °S eine Umkehr von Westwind auf Ostwind. Nach ein paar Tagen stellte sich wieder Westwind für die Dauer von 3 Wochen ein. Es folgte die finale Erwärmung zum Ende des Winters mit einer Umkehr zu Ostwind, früher als 2001, zum Ende des Oktobers 2002. In dieser Studie benutzen wir ECMWF Analysen, um die axialen Komponente des atmosphärischen Drehimpulsvektors (AAM - atmospheric angular momentum) und um die Entwicklung der Komponenten der Balancegleichung von AAM auf der polaren Südhalbkugel für den September 2002 zu berechnen. Im Laufe einer stratosphärischen Erwärmung erwarten wir große zeitliche Änderungen von AAM, die bisher noch nicht quantifiziert wurden. Die langzeitlich gemittelte Tendenz der vertikal und zonal gemittelten AAM ist nahezu stationär, aber der zeitliche Verlauf zeigt starke Ungleichgewichte der Quellen und Senken, die große Tendenzen der zonal mittleren AAM bedingen. Was die Balance der Komponenten der AAM während einer stratosphärischen Erwärmung beeinflusst, ist eine offene Frage. Die berechnete AAM Balance einer polaren Kappe ermöglicht die explizite Bestimmung der Quellen und Senken von AAM, wie dem Gebirgs- und Reibungsdrehmoment, der Konvergenz der AAM Flüsse, sowie ihrer Beziehungen zueinander. Das bedeutet, dass für die erwartete große Abnahme der polaren AAM während der stratosphärischen Erwärmung im September 2002 die Quellen und Senken von AAM bestimmt werden, die für die Abbremsung des polaren Zonalwindes wichtig sind und damit für seine polare Gradientenumkehr.

Wir benutzen ein mittleres Polkappenvolumen für die Berechnung der AAM Balance, das um die Breite von 65° S konzentriert wurde und ein Mittel von 3 Polarkappen von 90° -70° S, 90° - 65° S, und 90° - 60° S darstellt. Des Weiteren wurde ein gleitendes Mittel von 3 Tagen gebildet, das den Einfluss der täglichen Variabilität der AAM reduziert. Für solch ein mittleres Polarkappenintegral sind die Resultate der AAM Balance zusammenfassend in der Abbildung 1 dargestellt. Sie zeigen, dass eine 5 Tage Periode in der AAM Tendenz vor dem 18. September 2002 existierte, die aus der Überlagerung der negativ korrelierten Schwingungen des Polarkappenintegrals der Konvergenz des AAM Flusses und der des Gebirgsdrehmoments resultiert. Das Polarkappenintegral der Konvergenz des AAM Flusses ist negativ und stellt eine Senke von AAM dar, wobei das Reibungsdrehmoment durch die katabatischen Ostwinde entlang der antarktischen Küste relativ kleine positive Werte aufweist. Die Zunahme der AAM der Polarkappe (positive Tendenz) zwischen Tag 4 und 8 kann durch das Reibungsdrehmoment gebildet werden, wenn der nordwärts gerichtete Fluss von AAM und das Gebirgsdrehmoment der Polarkappe sich kompensieren. Anschließend ist die Abnahme von AAM (Tag 8 - 10) durch den nordwärts gerichteten Fluss von AAM bestimmt und die Zunahme (Tag 10 - 13) wiederum durch das Reibungsdrehmoment der Polarkappe. Die Zunahme der AAM (Tag 14 -18) resultiert aus dem Gebirgsdrehmoment der Polarkappe. Ab dem Tag 18 zeigt sich ein neues Verhalten in der AAM Entwicklung. Die AAM Tendenz der Polarkappe durchläuft eine längere Phase, über 9 Tage, einer Abnahme der negativen Werte mit einem Minimum am 22 Tag. Aber die besonders starke Abnahme der nordwärts gerichteten Flüsse von AAM wird nicht durch eine Zunahme des Gebirgsdrehmoments der Polarkappe aufgefangen.

Obwohl nach dem Tag 22 der Betrag beider Größen abnimmt, ist die negative AAM Tendenz durch den AAM Fluss aus der Polarkappe dominant. Am Tag 24 wird das Gebirgsdrehmoment der Polarkappe negativ und trägt zusätzlich zur Abnahme des AAM bei, wie auch der schwache negative Fluss von AAM. In der Abbildung 1 ist auch die Summe aller drei Drehmomente für eine Polarkappe eingezeichnet. Die entsprechende Kurve folgt hauptsächlich der der AAM Tendenz. Es gibt Unterschiede (gestreifte Gebiete) zwischen beiden Kurven, die den Rechenfehler anzeigen, aber der zeitliche Verlauf der Kurven ist dagegen robust.

Abb. 1: Mittlere AAM Tendenz für eine südhemisphärische Polarkappe, Konvergenz des absoluten AAM Flusses (dünne, rote Linie), Gebirgsdrehmoments (dick, blau), Reibungsdrehmoment (kurz gestrichelt, grün), Summe (dünn, lang gestrichelt) und die AAM Tendenz (dick, lang gestrichelt)

Die AAM Tendenz für eine mittlere Polarkappe oszilliert mit einer Periode von 5 Tagen bis zum Zusammenbruch des Polarwirbels, danach ist die Tendenz über 9 Tage lang negativ. Das polare Reibungsdrehmoment, induziert durch katabatische Winde, ist schwach positiv und nahezu konstant. Für diese mittlere Polarkappe ist das Gebirgsdrehmoment hauptsächlich positiv und größer als das Reibungsdrehmoment. Die starken Änderungen des Gebirgsdrehmomentes werden durch eine Verschiebung der Oberflächendrucklagen infolge eines Rossby- Wellenzuges bestimmt, der über die Orographie der Antarktis streicht. Basierend auf einer Fourier- Zerlegung konnten wir zeigen, dass in den starken Neigungsregionen der Ostantarktis die längenabhängige ansteigende Orographie bei 0 °O mit der Hochdruckanomalie sowie die abnehmende Orographie mit der Tiefdruckanomalie um 150 °O korreliert sind (Peters und Zülicke, Tellus A, 2006, im Druck). Die Flüsse von AAM sind nordwärts gerichtet und reduzieren den AAM des Polarkappenvolumens.

Die Änderungen des AAM Flusses ist hauptsächlich durch die Veränderung des Impulsflusses durch transiente Rossby- Wellen in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre bestimmt. Der Polarwirbelzusammenbruch ist mit einer starken Abnahme des Betrages des Gebirgsdrehmomentes und einer Zunahme der Konvergenz des relativen AAM Flusses verbunden.

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