Der Einfluss großskaliger Wellenflüsse auf die Ozonvariabilität

Interannuale und dekadische Veränderungen in der Ozonverteilung sind Gegenstand der aktuellen internationalen Ozonforschung. Es ist bekannt, dass großskalige Wellenflüsse (''large-scale eddies'') die mittlere Ozonverteilung und die meridionale Massenzirkulation stark beeinflussen. Interannuale und dekadische Veränderungen in den Wellenflüssen werden ihrerseits durch natürliche Variabilität und - möglicherweise - auch durch anthropogene Emissionen, z.B. über den CO2-Treibhauseffekt hervorgerufen. Im folgenden wird der Einfluss der Variabilität der Wellenflüsse auf die Ozonvariabilität mit Hilfe eines zweidimensionalen, dynamisch-chemisch gekoppelten Zirkulationsmodells untersucht und quantifiziert (Gabriel&Schmitz, 2002).

Das verwendete Modell ist eine 2D Version des 3D GCM ECHAM3, mit einem gekoppelten 2D Photochemiemodell, das uns freundlicherweise G. Brasseur (persönliche Mitteilung, 1997) zur Verfügung gestellt hat. Die zonal und  monatlich gemittelten Impuls- und Wärmeflüsse wurden zunächst nach ECMWF ReAnalysis (1979-1993) berechnet. Über einen Diffusionsansatz für den meridionalen Fluss der quasigeostrophischen potentiellen Vorticity wurden dann monatsgemittelte Mischungskoeffizienten K_yy gewonnen und in das 2D Modell implementiert. In den Modellberechnungen werden die meridionalen Wellenflüsse der potentiellen Temperatur und der Spurengase ebenfalls über einen Diffusionsansatz parametrisiert. Dieses Konzept gewährleistet, dass sich die Modellgleichungen an die Forcierung durch die Wellenflüsse ohne störende Imbalancen anpassen können.

Als Beispiel für die Güte des verwendeten Ansatzes sind in Abb. 1 die Abweichungen des meridionalen Flusses der potentiellen Vorticity [v´q´] von einem mittleren Jahresgang dargestellt. Abb. 1 zeigt, dass die interannuale Variabilität und der erkennbare Trend in den Wellenflüssen realistisch beschrieben werden. In einem zusätzlichen Kontroll-Lauf mit fixierten K_yy (permanenter Jahreszyklus 1979) entwickeln sich demgegenüber nur sehr geringe Variationen ohne Trend.

Abb. 2 zeigt die durch die Wellenflüsse forcierte interannuale Variabilität im Gesamtozon der Nordhemisphäre. Einzelne ''Spitzen'' in den monatsgemittelten Werten werden im Vergleich zu Beobachtungen (TOMS) aufgrund des Parametrisierungsansatzes stark gedämpft. Die Unterschiede zwischen den beobachteten und den modellierten Ozonvariationen sind auf den Einfluss der Quasi-Biennialen Oszillation (QBO) zurückzuführen. In dem erwähnten Kontroll-Lauf mit fixierten K_yy des Jahres 1979 entwickeln sich nur sehr geringe Variationen (Schwankungsbreite ca. 0.5 DU) ohne Trend.

Wie in Abb. 3 dargestellt, wird etwa 50% des beobachteten Ozon-Trends durch die dekadische Veränderung in den Wellenflüssen verursacht, vorwiegend in den Winter- und ersten Frühlingsmonaten im Bereich der unteren Stratosphäre, wenn die Wellenaktivität die winterliche stratosphärische Zirkulation und die Eddy-Diffusion antreibt. In mittleren Breiten kann der Wert von 50% sogar deutlich überschritten werden. Der erwähnte Kontroll-Lauf mit fixierten K_yy des Jahres 1979 zeigt im Vergleich eine modellinterne dekadische Schankungsbreite von maximal 0.2 DU/km/dec. Die Abhängigkeit des berechneten Ozon-Trends von der Höhe, der Breite und der Jahreszeit stimmt mit dem beobachteten Ozon-Trend bemerkenswert gut überein. Unterschiede gibt es vor allem in polaren Breiten aufgrund des anthropogen verursachten Ozonabbaus, der in den Modellrechnungen zunächst nicht berücksichtigt wurde, um den Einfluss der Wellenaktivität auf die Ozonverteilung herauszukristallisieren. Weitere Modellexperimente, die auch die Wellenflüsse von 1994-2000 einschließen, werden durchgeführt unter schrittweiser Einbeziehung anthropogener Emissionen, heterogenener Chemie und höherer Schichten der Atmosphäre.