Zum Einfluss längenabhängiger Variationen im Polarwirbel auf das Rossby- Wellenbrechen in mittleren Breiten

Planetare und synoptisch- skalige Rossby-Wellen spielen eine bedeutende Rolle in der atmosphärischen Zirkulation. Sie bestimmen den Austausch von Impuls, Wärme und Spurengasen zwischen den Subtropen und den mittleren und höheren Breiten sowie zwischen der Troposphäre und Stratosphäre, und sind beteiligt an der Bildung von Ozon-Minilöchern und der Generation von Trägheits-Schwerewellen. In Anknüpfung an frühere Arbeiten (Peters & Waugh, J. Atmos. Sci., 53, 1996) wurde der Einfluss zonaler Variationen im Westwindband der nördlichen Hemisphäre, d.h. großräumiger diffluenter und konfluenter Strömungskonfigurationen, auf die verschiedenen Haupt-Typen des Rossby- Wellenbrechens (RWB = Rossby Wave Breaking) untersucht. Hauptaugenmerk lag dabei auf den nordwärts brechenden Wellenereignissen (P2) über dem Nordatlantik, die die atmosphärische Dynamik über West- und Nordeuropa wesentlich beeinflussen.

Zielsetzung der Arbeiten war, das Auftreten von RWB- Ereignissen auf Grundlage der ECMWF- Re- Analysen (ERA-40, 1957-2002) zu diagnostizieren, sowie deren Abhängigkeit von zonal variierenden Grundströmungen, die durch den winterlichen stratosphärischen Polarwirbel in der unteren Troposphäre / oberen Stratosphäre (UTLS- Region) induziert werden, mit einer vereinfachten Version des GCM ECHAM4 zu analysieren. Des Weiteren wird auf Grundlage des GCM MAECHAM5 untersucht, inwieweit Strahlungsforcierungen durch zonal variierende, dekadische Ozonänderungen Struktur und Stärke des Polarwirbels ändern und über diesen Weg Einfluss auf das RWB haben können. Diese Arbeiten erfolgen in Kooperation mit Ingo Kirchner, Meteorologisches Institut, FU Berlin.

Abb. 1: Skizze für typische RWB- Ereignisse; P1: nord- und rückwärts, P2: nord- und vorwärts, LC1: süd- und rückwärts, LC2: süd- und rückwärts, schwarze Pfeile: Westwind, weiße Pfeile: meridionaler Wellenfluss, gestrichelte Linien: Geopotential.

In Anlehnung an Esler und Haynes (J. Atmos. Sci., 56, 1999) nutzen wir die meridionale Komponente Fy eines dreidimensionalen Wellenfluss-Vektors als Indikator, um zwischen antizyklonalen (Fy<0) und zyklonalen (Fy>0) RWB- Ereignissen zu unterscheiden. Dabei berechnen wir die meridionale Wellenfluss-Komponente für quasistationäre Wellen in einem zonal variierenden, unveränderlichen Grundstrom. Darüber hinaus können relativ zum Westwindband vorwärts bzw. rückwärts brechende Wellen über den diffluenten bzw. konfluenten Charakter der quasistationären Strömung, in der sie sich entwickeln und die sie verstärken, identifiziert werden (s. Abb. 1). Als Indikator wählten wir hier die räumliche Änderung des Geopotentials Φxy ~= δ²Φ/cos φδλδφ. Eine Kombination der beiden Parameter, d.h. das Produkt sign(-Φxy) · Fy, ermöglicht also eine Separation in die vier Haupttypen des RWB: vorwärts gerichtete zyklonale (LC2) und antizyklonale (P2), und rückwärts gerichtete zyklonale (P1) und antizyklonale (LC1) RWB Ereignisse. Als Beispiel zeigt Abbildung 2 (links) die klimatologische Verteilung der P2-Ereignisse für den nordhemisphärischen Winter auf Grundlage der ERA-40 Daten. Hierbei wurden für jeden einzelnen Winter (DJF) nach dem oben angeführten Konzept die Wellenparameter berechnet und über die Winterperiode zeitlich integriert und normiert. Daraus wurde dann als Mittelwert die Klimatologie für 45 Winter abgeleitet. Zu erkennen sind zwei Bänder verstärkt auftretender P2-Ereignisse mit maximalen Werten von 15 20 m²s-2, eines über dem Nordpazifik, das sich in nördlicher Neigung bis über Nordamerika erstreckt, und eines über dem Nordatlantik, das sich ebenfalls in nördlicher Neigung bis über Europa erstreckt. Zu beachten ist, dass die in Abbildung 2 (links) dargestellten Gebiete Werte oberhalb eines nahezu homogenen Hintergrund-Feldes von ca. 4 5 m²s-2 kennzeichnen, und im Vergleich zur interannualen Variabilität hoch signifikant sind (99% Vertrauensintervall). Herausragende Gebiete verstärkt auftretender P1-, LC1- und LC2-Ereignisse wurden ebenfalls diagnostiziert.

Abb. 2: Klimatologischer Mittelwert RWB-P2 für nordwärts brechende P2 Ereignisse für die 45 Winter der ERA-40 Periode (links), und jeweils für 12 Wintermonate Modell-Laufzeit mit (Mitte) und ohne (rechts) zonal variierender Temperatur-Forcierung in der Stratosphäre (vgl. Abb. 3); Isolinienabstand, links: 5 m²/s², Isolinienabstand: Mitte und rechts: 2 m²/s².

Um den Einfluss zonaler Variationen im stratosphärischen Polarwirbel auf das RWB zu untersuchen, wurde eine Reihe von Modellrechnungen durchgeführt. Hierbei wurde in einem Kontroll-Lauf das ECHAM4 Modell zunächst ohne Orographie oder andere längenabhängige Wellenantriebe mit beobachteten, zonal gemittelten Temperaturfeldern forciert, und dann eine aus den Beobachtungen abgeleitete ultralange und über den gesamten Winter stationäre Welle im Höhengebiet des Polarwirbels (TW1 = Welle 1 oberhalb von 150 hPa, s. Abbildung 3) zusätzlich in die Temperatur-Forcierung eingebaut. Abbildung 2 zeigt als Beispiel die Verteilung der P2-Ereignisse, die aus jeweils 12 Monaten Modellzeit - nach einer Einschwingphase von insgesamt 2 Jahren Modellzeit - aus einem Modell-Lauf mit (Abbildung 2, Mitte) und ohne (Abbildung 2, rechts) zonal variierende Temperatur-Forcierung des Polarwirbels abgeleitet wurden. Gegenüber dem Modell-Lauf ohne TW1 - wie zu erwarten mit einer nahezu homogenen P2- Verteilung von 45 m²s-2, die aus der baroklinen Instabilität heraus generiert wird - zeigen sich im Modell- Lauf mit TW1 signifikant herausragende Gebiete über dem Pazifik und insbesondere über dem Nordatlantik mit maximalen Werten von 1012 m²s-2. Wenn gleich die Welle 1 im Polarwirbel als Resultat troposphärischer Wellenaktivität verstanden werden kann, zeigt sich hier der Einfluss der zonalen Variationen im Polarwirbel auf die troposphärische Wellenaktivität. In der realen Atmosphäre sowie in Modellrechnungen, die weitere längenabhängige Forcierungen berücksichtigen, wird der geschilderte Prozess natürlich durch andere Prozesse modifiziert bzw. überdeckt. Zonale Variationen in den Ozonverteilungen können über die Strahlungsforcierung zu zonalen Variationen im Polarwirbel beitragen und damit das RWB beeinflussen. Abbildung 4 (links) zeigt als Beispiel die Ozonabweichung vom zonalen Mittelwert in 10hPa für den Januar der 1990er Dekade (aus ERA-40), mit einer deutlich ausgeprägten Welle 1 und maximalen Amplituden von ca. 0.8 mg/kg (10%). Diese Wellenstruktur zieht sich durch alle Höhengebiete der Stratosphäre.

Abb. 3: Abweichung der Temperatur vom zonalen Mittelwert in 50 hPa für 1. Feb 1993; Isolinienabstand: 3 K.

In einem ersten Schritt wurden diese Ozonverteilungen – in Anknüpfung an frühere Arbeiten (Kirchner & Peters, Annales Geophysicae, 21, 2003) – für das Höhengebiet zwischen 500 hPa und 1 hPa in die neueste, hochreichende Version des ECHAM (MAECHAM5 bis 80 km) implementiert. Insgesamt wurden Modellrechnungen für 10 Winter- Episoden (1989/90-1998/99) mit vorgegebener AMIP-SST durchgeführt. Hierbei wurde die Ozon- Anomalie jeweils Anfang Oktober zugeschaltet und die Wintermonate (DJF) analysiert. Als Vergleich diente ein Kontrolllauf über den Zeitraum 1989-1999 mit zonal gemittelter Ozon-Klimatologie. Abbildung 4 (rechts) zeigt die über alle Winter-Episoden gemittelte Abweichung der Temperatur vom zonalen Mittel des Kontrolllaufes sowie die Differenz zwischen dem Modelllauf mit der zonalen Ozonanomalie und dem Kontrolllauf. Eine höhere Amplitude von 1 2 K weist darauf hin, dass die Welle 1 über die Abkühlung bzw. Erwärmung durch die zonale Ozonanomalie gegenüber dem Vergleichslauf verstärkt wird. Darüber hinaus zeigt sich eine westwärts gerichtete Phasenverschiebung des Polarwirbels, da die Implementation der diabatischen Quellen zu Verschiebungen in den adiabatischen Erwärmungs- bzw. Abkühlungsraten führt. Abbildung 5 (links) zeigt, dass das Modell im Vergleich zu Beobachtungen realistische P2-Verteilungen berechnet.

Abb. 4: links: Abweichung des Ozon vom zonalen Mittelwert für die 1990er Dekade (ERA-40, Isolinienabstand: 0.2 mg/kg); rechts: Temperatur-Abweichung vom zonalen Mittelwert T-[T] für 10 Winterepisoden mit zonal gemittelter Ozon- Klimatologie (kolorierte Linien, Isolinienabstand: 2 K) und Änderung DT(DO3) der Temperatur-Abweichung bei Berücksichtigung der zonalen Ozonvariationen (schwarze Linien, Isolinienabstand: 0.5 K) (MAECHAM5 mit AMIP-SST (Atmospheric Model Intercomparison Project Sea Surface Temperature) für die 1990er Dekade.)

Zum Vergleich sind in Abbildung 5 (rechts) die P2-Verteilungen mit (rot) und ohne (blau) zonale Ozonanomalie dargestellt. In Abhängigkeit von den induzierten Änderungen im Polarwirbel (vgl. Abbildung 4, rechts) entwickelt sich eine stärkere P2-Aktivität im Gebiet westlicher Nordatlantik/östliches Nordamerika und eine Abschwächung im Gebiet östlicher Nordatlantik/ Westeuropa. Die Modell-Resultate zeigen, dass längenabhängige Variationen, die im Gebiet des stratosphärischen Polarwirbels forciert werden, von erheblicher Bedeutung für die troposphärische Wellenaktivität sein können. Insgesamt öffnet sich hier eine neue Perspektive zum Verständnis der Kopplung der atmosphärischen Höhengebiete.

Abb. 5:links: Mittlere Verteilung der P2-Ereignisse für 10 Winterepisoden der 1990er Dekade (MAECHAM5 mit AMIPSST, Isolinienabstand: 5 m²/s²); rechts: mittlere Verteilung der P2-Ereignisse bei 50 °N mit (rote Linie) und ohne (blaue Linie) Berücksichtigung der zonalen Ozonanomalie.

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