Zum Einfluss dekadischer längenabhängiger Ozonänderungen auf die Zirkulation über der Nordatlantik-Europa Region

Die längenabhängige Ozonänderung in der oberen Troposphäre und in der unteren Stratosphäre auf der Nordhalbkugel ist hauptsächlich durch die dekadische änderung des Ozontransports durch planetare Wellen im Winter der 1980er Dekade verursacht (siehe Kap. 46). Die änderungen sind unterhalb des Ozonschichtmaximums (nahe 70 hPa in mittleren Breiten) am stärksten und sie haben die gleiche Gröenordnung wie die zonal gemittelten änderungen (siehe
Abb. 1). Die Rückkoppelung der Strahlungsanregung, getriggert durch die Ozonanomalie nahe der Tropopause, auf die Variabilität der Dynamik ist noch nicht verstanden.

In der Tropopausenregion ergeben sich nur relative kleine änderungen der Strahlungserwärmungsraten, diese können aber die Strahlungsbilanz effektiv beeinflussen und haben das Potenzial, die Troposphäre und Stratosphäre sowie die Subtropen und mittleren Breiten im Winter zu verkoppeln. Der direkte oder indirekte Einfluss dieser Strahlungsanregung über mehrere Tage oder einige Wochen auf die grossäumige Zirkulation ist unbekannt. In dieser Studie untersuchen wir den Einfluss der längenabhängigen Ozonänderungen auf die groräumige Dynamik insbesondere über der Nordatlantik- Europaregion,  wobei wir uns auf den Januarmonat der 80er Dekade beschränken, in dem die Ozonänderungen am stärksten waren. Die Antwort der Zirkulation wird mittels einer winterlichen Sensitivitätsstudie mit einem allgemeinen Zirkulationsmodell (AZM) bestimmt (Kirchner & Peters, Ann. Geophysicae, 21, 2003).

Abb. 1: Ozonanomalie, die als Antrieb im Modell verwendet wurde.

Für die Simulation des Winters wurden zwei verschiedene Ozonfelder im Hamburger AZM-ECHAM 4 implementiert, das eine horizontale Auflösung von T42 und 19 vertikale Schichten bis 10 hPa aufweist. Beide Felder zeigen eine
3-dimensionale Ozonverteilung, die auf den beobachteten Änderungen
der Wellenstruktur in den 80er Jahren für den Monat Januar beruht. Das erste
Feld stellt die über 15 Jahre gemittelte Referenzklimatologie dar und das zweite beinhaltet zusätzlich das geänderte Ozonfeld (Anomalie) der 1980er Jahre im Vergleich zum Referenzfeld für die mittleren und polaren Breiten der Nordhemisphäre. Für beide Ozonfelder wurden fünf statistisch unabhängige
Experimente gerechnet mit jeweils gleicher Meeresober ächentemperatur
der fünf Winter von 1988 bis 1992. Die AZM Experimente wurden paarweise mit identischen Anfangsbedingungen bei Verwendung des ECHAM4 für beide Ozonfelder ausgeführt.

Abb. 2: Mittlere Heizung [10^-3K/Tag] infolge der Ozonanomalie über dem Nordatlantik, (40° - 10° W), (a) und Zentraleuropa, (0° - 30° O), (b).

Die Abb. 2 zeigt die Höhen-Breitenverteilung der direkten totalen Heizung bedingt durch die Ozonanomalie gemittelt über die angegebenen Längenbereiche für den Monat Januar wie sie im Modell bestimmt wurde. Mehr Ozon über Europa verursacht oberhalb 100 hPa Abkühlung und unterhalb Erwärmung. Über dem Nordatlantik bringt weniger Ozon eine Erwärmung oberhalb von 100 hPa und unterhalb Abkühlung. Bei längerer Integration ist diese direkte Ozonanomalieantwort von dynamischen Rückkoppelungen überlagert. Es gibt eine positive Korrelation zwischen der Ozonanomalie und den mittleren Differenzen des geopotentiellen Höhenfeldes im Bereich der Tropopause, jedoch hauptsächlich über dem Nordatlantik.

Abb. 3: Änderung der Aktivität der Sturmzugbahnen (definiert als Standardabweichung der bandpass (2-6 Tage) gefilterten Geopotentialstörungen [gpm]) über dem Nordatlantik infolge der Ozonanomalie auf

Eine beachtliche nordöstliche Verschiebung der Aktivität der Sturmzugbahnen ist in Abb. 3 zu beobachten. Die Veränderungen im Geopotential, Temperatur und Windfeld sind lokal statistisch signi kant (>95%). Für das zonale Windfeld werden die signifikanten Änderungen bedingt durch die Ozonanomalie in Abb. 4 gezeigt. Die momentane Strahlungsanregung infolge der Ozonanomalie kann nicht allein die starke Antwort der Zirkulation erklären. Das zusätzliche Ozon über dem Nordatlantik verursacht eine primäre Abnahme der Stabilitätsrate nahe der Tropopause (Abb. 2a), d.h. die Konvektion kann höhere Schichten erreichen. Stärkere Transporte von feuchter Luft bringen mehr Wasserdampf in die Tropopausenregion und verursachen eine zusätzliche solare Erwärmung dort. Ohne Dynamik würde diese Erwärmung durch entgegenwirkende Emission von langwelliger Abstrahlung bilanziert werden.

Abb. 4: Änderung des zonalen Windes [m/s] über dem Nordatlantik infolge der Ozonanomalie für die 200 hPa Fläche.

Aber der vertikale Wasserdampftransport verstärkt die thermische Heizung bis die Wolken ausreichend solare Strahlung reflektieren. Die Struktur der mittleren Ozonanomalie, typisch für die Periode Ende der 80er, ist mit dem verstärkten positiver NAO-Muster, d.h. mit verstärktem Azorenhoch und abgeschwächtem Islandtief, korreliert. Die mittlere Ozonanomalie induziert in dem Modell ähnliche NAO-Muster, wie sie in der Abb. 5 angegeben sind.

Abb. 5: Änderung des Oberflächengeopotentials [gpm] der 1000 hPa Schicht über dem Nordatlantik infolge der Ozonanomalie.

Zusammenfassend bestätigt die Sensitivitätsstudie, dass eine relativ kleine Ozonanomalie in der Tropopausenregion einen stärkeren E ekt auf die Stabilität der Strömung ausübt als man dies von der Ozonanomalie eigentlich erwarten würde. Dies bestimmt die Aktivität der Zyklonen über dem Nordatlantik, wie unsere Ergebnisse gezeigt haben, und induziert Änderungen in der planetaren Wellenstruktur. Die Resultate stützen die Hypothese, dass die längenabhängigen Ozonänderungen (Anomalien), beobachtet von 1979 bis 1992, systematische Modifikationen der Zirkulation über der Nordatlantik-Europaregion induzieren. Es zeigt weiter, dass diese Rückkoppelungsprozesse sehr wichtig sind für das Verständnis der Koppelung von Subtropen und mittleren und polaren Breiten sowie des Zusammenhangs zwischen Troposphäre und Stratosphäre.

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