Die jahreszeitliche Veränderung der effektiven Diffusion in der mittleren Atmosphäre

Die Durchmischung von Spurengasen durch die großräumigen Windfelder ist in den verschiedenen Jahreszeiten und geographischen Regionen der mittleren Atmosphäre sehr unterschiedlich. Die effektive Diffusion, wie sie von Allen & Nakamura (J. Geophys. Res., 106, 2001, AN) auf der Grundlage assimilierter Windfelder berechnet wurde, stellt einen geeigneten Parameter dar, um die Mischungsvorgänge allgemein zu charakterisieren, sobald die drehungsbehafteten Komponenten des Windfeldes bestimmend sind.

Im Folgenden wird der Koeffizient der effektiven Diffusion (κeff ) auf der Basis der Windfelder eines globalen Zirkulationsmodells der mittleren Atmosphäre (Kostrykin & Schmitz, J. Geophys. Res., 111, 2006) berechnet. Es werden die Mischungsbarrieren in den verschiedenen Höhengebieten betrachtet, in Abhängigkeit von der Anregung der planetaren Wellen.

Abb. 1: log(κeff /κ), als Maß für den effektiven Diffusionskoeffizienten κeff (Farbe) und der zonal gemittelte zonale Wind ( - - - - Ostwind, — — Westwind, Isolinienabstand 10 m/s) für die einzelnen Monate mit der potentiellen Temperatur als vertikale Koordinate

Die Methode der effektiven Diffusion ist geeignet zur Beschreibung der Mischung bis in die obere Stratosphäre und untere Mesosphäre, da die Anteile der unbalancierten Windkomponenten des Modells noch hinreichend gering sind; das kann aber von Modell zu Modell unterschiedlich sein. Daten für einen derartigen Vergleich sind nicht verfügbar. Im Vergleich mit AN wird ein Algorithmus mit sehr geringer numerischer Diffusion zur Berechnung von κeff verwandt, die unter bestimmten Strömungsbedingungen die effektive Diffusion erheblich beeinflussen kann. In Abb. 1 sind für die einzelnen Monate die entsprechenden Mittelwerte von ln κeff /κ für die GCM- Integration der Jahre 1990 - 1996 angegeben, wenn · die numerische Diffusion des Modells angibt. Letztere wurde in geeigneter Form aus der Modellintegration berechnet. Geringe Werte in ·eff charakterisieren eine Mischungsbarriere, und Gebiete mit großem κeff ergeben eine intensive Mischung von Tracern. Die GCM- Daten beschreiben für die untere Stratosphäre die bekannten Mischungsgrenzen in den Tropen und im Zusammenhang mit dem Polarwirbel,

wobei letzterer sich in der südlichen Hemisphäre intensiver als Mischungsbarriere zeigt, wie der Vergleich der Monate Januar und Juli ergibt. Betrachtet man die einzelnen Jahre, so ist die Veränderlichkeit von κeff in der winterlichen NH viel stärker ausgeprägt. Oberhalb von etwa µ = 2000 K ist die Struktur von κeff sehr unterschiedlich zu der in der unteren Stratosphäre und gekoppelt an die südwärtige Verlagerung des Starkwindgebietes der winterlichen Nordhemisphäre bzw. polwärtige Verschiebung in der Südhemisphäre.

Abb. 2: log(κeff /κ), Farbe, und der zonal gemittelte zonale Wind ( - - - - Ostwind, —— Westwind, Isolinienabstand 10 m/s) im Juli. a) Kontrollexperiment, b) Windfelder im 20° x 20° Gitter, c) Filterung aller Wellen mit | C| < 20 m/s, d) Filterung mit | C| > 20 m/s. log(κeff /κ), Farbe, in 800 K von April - Dezember 1990; e) Kontrollexperiment mit κ = κnum, f) κ = 105m²/s², —– U = 0.

Im Januar/Februar und Juli/August ergibt sich eine sehr starke Mischung in den polaren Breiten der unteren Mesosphäre der winterlichen Hemisphären. Um zu verstehen, welcher Teil des Spektrums der planetaren Wellen den effektiven Diffusionskoeffizienten bestimmt, wurden die Windfelder bzgl. der Phasengeschwindigkeit der Wellen gefiltert, bzw. es wurde ein Experiment mit sehr grober räumlicher Auflösung durchgeführt.

In Abb. 2 sind die Ergebnisse dieser Experimente für Juli angegeben. Vergleicht man das ”full”-Experiment a) mit b), dem ein 20 ° x 20 ° Gitterabstand zu Grunde liegt, dann ist die Übereinstimmung ersichtlich. Insbesondere in der oberen Stratosphäre und unteren Mesosphäre ist die Struktur der Mischungsgebiete noch sehr ähnlich, auch wenn die Amplituden sich schon unterscheiden. Es ist ein Hinweis, dass der Beitrag der unbalancierten kleinskaligen Windkomponenten in diesem Grenzgebiet zur Stratosphäre das Bild der Mischung von Tracern nicht grundsätzlich verändert. Abb. 2c zeigt, dass die Wellen mit Phasengeschwindigkeiten unterhalb von 20 m/s die Mischung in den Tropen in der unteren Mesosphäre bestimmen; in den Subtropen der unteren Stratosphäre ist dies besonders ausgeprägt, aber das ist bekannt. Die Abb. 2 zeigt außerdem, dass in hohen Breiten der winterlichen unteren Mesosphäre die Mischung durch brechende Wellen mit Phasengeschwindigkeiten | C| > 20 m/s erfolgt, Abb. 2b, und durch großskalige Wellen gegeben ist. Eine ähnliche Abhängigkeit ergibt sich um 30±N in der unteren Mesosphäre. Während die erhöhte Mischung für | C| < 20 m/s im Zusammenhang mit der klassischen Surfzone steht, ist die Ursache für die hohen κeff- Koeffizienten in den beiden genannten Gebieten durch lokal erzeugte Wellen gegeben. In der Tat zeigt die Berechnung des meridionalen quasi-geostrophischen potentiellen Vorticity-Gradienten eine Vorzeichenumkehr, dass auf die Anregung von Wellen aus Instabilitätsprozessen (baroklin, barotrop) hindeutet. In der sommerlichen unteren Stratosphäre resultiert der hohe κeff- Koeffizient allein aus der Brechung der Wellen mit | C| < 20 m/s, die sich aus der Troposphäre ausbreiten und im Ostwind der unteren Stratosphäre brechen.

Die jahreszeitliche Abhängigkeit von κeff in 800 K zeigt eine sehr interessante Erscheinung. In den Sommermonaten mittlerer Breiten der Nordhemisphäre sind die κeff unverändert hoch, Abb. 2a, im Unterschied zu den Ergebnissen von AN. Aus theoretischen Untersuchungen ist bekannt, dass in Strömungen mit schwachem Windscher die ”Erinnerung” an die dynamischen Eigenschaften einer kritischen Linie sehr lange bestehen kann, wenn die Diffusion sehr gering ist; das trifft für unsere Rechnungen zu. Wenn dieser Prozess tatsächlich den erhöhten κeff -Wert im Sommer der 800 K - Fläche bestimmt, müsste sich eine starke Empfindlichkeit zur ”numerischen” Diffusion zeigen. Abb. 2f zeigt κeff für ein Experiment, wenn die Mischung mit einer erhöhten Diffusion bestimmt wurde. Man erkennt, dass κeff stark abnimmt und die effektive Diffusion damit sehr empfindlich beeinflusst wird.

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Mitarbeiter

*Institut für Numerische Mathematik der Russischen Akademie der Wissenschaften