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Klimawandel in der Stratosphäre: Wann regeneriert sich die Ozonschicht? Martin Dameris Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Physik der Atmosphäre, Oberpfaffenhofen Frankfurt, 21. Januar 2010
Klimawandel in der Stratosphäre: Wann regeneriert sich die Ozonschicht? Martin Dameris mit wesentlichen Beiträgen von Hella Garny und Rudolf Deckert
Frankfurt, 21. Januar 2010
Science, Juni, 2007
Institut für Physik der Atmosphäre
Nature, Januar, 2008
Institut für Physik der Atmosphäre
Kopplung von Stratosphäre und Troposphäre Prozesse des Klimawandels beeinflussen die thermische und dynamische Struktur der Troposphäre (0-15 km) und Stratosphäre (bis 50 km). Die Troposphäre und die Stratosphäre sind in vielfältiger Weise miteinander gekoppelt.
Die dynamische Kopplung ist in erster Linie durch die Dynamik großskaliger (planetare und synoptische) Wellen gegeben, die in der Troposphäre angeregt werden.
Die saisonale und die Jahr-zu-Jahr Variabilität in der Erzeugung, Ausbreitung und Dissipation dieser Wellen sowie alle systematischen Veränderungen der Wellenaktivität, haben einen Einfluss auf die thermische Struktur und Zirkulation der Stratosphäre.
Diese Variationen in der Stratosphäre beeinflussen troposphärische Prozesse.
Institut für Physik der Atmosphäre
Klima-Chemie Wechselwirkungen Um ein vollständiges Verständnis der Veränderungen der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre zu erlangen ist es erforderlich, den Klimawandel und seine Rückkopplung zu berücksichtigen.
Der Anstieg der Konzentrationen gut durchmischter Treibhausgase in der Atmosphäre führt zu höheren troposphärischen und niedrigeren stratosphärischen Temperaturen.
Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre ist davon unmittelbar beeinflusst, da viele chemische Reaktionen temperaturabhängig sind.
Darüber hinaus beeinflussen Temperaturänderungen die atmosphärische Zirkulation und somit den Transport von Spurengasen und -stoffen.
Institut für Physik der Atmosphäre
Schema der Ozon-Temperatur Rückkopplungen aufgrund von Änderungen der chemischen Zusammensetzung der Stratosphäre
Institut für Physik der Atmosphäre
Schema eines Klima-Chemie Modells (engl. Climate-Chemistry Model, CCM)
Institut für Physik der Atmosphäre
FCKW-Gehalt in der Troposphäre
Chlorgehalt in der Stratosphäre
Institut für Physik der Atmosphäre
Volumenmischungsverhältnis CH4 und Cly [ppbv]
Volumenmischungsverhältnis CO2 und N2O [ppmv]
Randbedingungen für das Klima-Chemie-Modell: Treibhausgase und stratosphärischer Chlorgehalt (Cly)
Jahr Institut für Physik der Atmosphäre
Randbedingungen für das Klima-Chemie-Modell: Der 11-jährige Sonnenaktivitätszyklus 10.7 cm Radiofluss [10-22 Wm-2]
350
300
250
200
150
100
50
1950
2007 Jahr Agung
El Chichón Pinatubo
Institut für Physik der Atmosphäre
Randbedingungen für ein Klima-Chemie-Modell: Meeresoberflächentemperaturen und weitere Emissionen Meeresoberflächentemperaturen und Seeeisbedeckung: Monatsmittel des UK Met Office, Hadley Centre: Beispiel für Juni 1985 (Rayner et al., 2003).
Natürliche und anthropogene NOx Emissionen:
Industrie (Benkovitz et al., 1996) Biomasse Verbrennung (Lee, pers. comm., 2003) Blitze (Grewe et al., 2001) Bodenverkehr (Matthes, 2003; Corbett et al., 1999) Luftverkehr (Schmitt und Brunner, 1997) Institut für Physik der Atmosphäre
: 12.0 - 33.0 TgN/a : 6.3 - 7.2 TgN/a : ~5.0 TgN/a : 4.8 - 13.1 TgN/a : 0.1 - 0.7 TgN/a
Temperaturtrend in der unteren Stratosphäre
Institut für Physik der Atmosphäre
Temperaturentwicklung in der Stratosphäre
Temperaturanomalien
37-52 km
30-45 km
23-38 km
13-22 km Jahr Institut für Physik der Atmosphäre
SPARC CCMVal Report, 2010
Validierung: Zonalmittel Gesamtozon (1995 - 2008)
Institut für Physik der Atmosphäre
Loyola et al., 2009
Validierung: Jahreszeitenmittel Gesamtozon (1995 - 2008)
Institut für Physik der Atmosphäre
Loyola et al., 2009
Validierung: Standardabweichung Gesamtozon (1995 - 2008)
Institut für Physik der Atmosphäre
Loyola et al., 2009
Entwicklung der Ozonschicht (1960 - 2050)
Ozonanomalie [DU]
60°N - 60°S
Jahr Institut für Physik der Atmosphäre
Loyola et al., 2009; Dameris, 2009
Einfluss des Klimawandels auf die Ozonschicht WACCM
Druck [hPa]
E39C
ΔT [°C] FMA REF–NCC WACCM
Druck [hPa]
E39C
ΔO3 [%] FMA
geogr. Breite (°)
geogr. Breite (°)
Institut für Physik der Atmosphäre
Die meridionale Massenzirkulation (Brewer-Dobson Zirkulation)
Institut für Physik der Atmosphäre
Holton et al., 1995
Wasserdampf "Tape recorder" (10°S-10°N)
HALOE
E39C-A
Institut für Physik der Atmosphäre
Stenke et al., 2009
Einfluss des Klimawandels auf die Brewer-Dobson Zirkulation (REF-NCC) Änderung der Wellenaktivität im Jul./Aug.
geogr. Breite [°]
geogr. Breite [°]
Druck [hPa]
Änderung der Wellenaktivität im Dez./Jan.
Sommer
Winter
Winter
Sommer
Verursacht durch Änderungen in der Aktivität stationärer Wellen
Institut für Physik der Atmosphäre
Änderung der Meeresoberflächentemperatur, SST (REF-NCC) Änderung der SST im Juli/August
geogr. Länge [°]
geogr. Länge [°]
geogr. Breite [°]
Änderung der SST im Dezember/Januar
Δ(SST)max ≈ +1°C Institut für Physik der Atmosphäre
Änderung des konvektiven Niederschlags (REF-NCC)
Juli/August
geogr. Länge [°]
geogr. Länge [°]
geogr. Breite [°]
Dezember/Januar
Δ(konvektiver Niederschlag)max ≈ +7% Institut für Physik der Atmosphäre
Einfluss tropischer SST auf die Brewer-Dobson Zirkulation
© H. Schlager
Untersuchung der UrsacheWirkung Beziehung: Ansteigende Temperaturen der Ozeanoberfläche führen zu:
• verstärkter hoch reichender Konvektion, • erhöhte Freisetzung von latenter Wärme, • verstärkte Anregung von quasistationären planetaren Wellen, • Intensivierung des Aufsteigens tropischer Luftmassen.
Institut für Physik der Atmosphäre
Deckert and Dameris, 2008a; b
Aufsteigen tropischer Luftmassen: Zeitliche Veränderungen
DJF
Jahresmittel JJA
Institut für Physik der Atmosphäre
Garny et al., 2009
Relativer Trend [%/Jahr] im tropischen Aufsteigen E39CA: 1960-2049 (SCN-B2d)
Institut für Physik der Atmosphäre
Relativer Trend [%/Dek.] im tropischen Aufsteigen Differenz 2000s – 1960s
Differenz 2040s – 2000s Differenzen von SCN2 REF1 Differenzen von "Zeitscheiben":
SST + GHG SST GHG
Institut für Physik der Atmosphäre
Zukünftige Entwicklung
Abkühlung führt zu einer Zunahme der NettoOzonproduktion
Rückgang der Temperatur: Ozonabbau wird verstärkt
Rückgang der Temperatur: Ozonabbau wird verstärkt
Institut für Physik der Atmosphäre
Was wissen wir bisher?
Die Veränderungen des stratosphärischen Klimas und der Ozonschicht können mittels von Klima-Chemie-Modellen nachvollzogen werden, wenn sowohl natürliche als auch anthropogene Antriebe berücksichtigt werden.
Klima-Chemie-Modelle zeigen in konsistenter Weise, dass die Erholung der Ozonschicht in einigen Regionen schneller von statten geht, wenn die Stratosphärentemperatur aufgrund des Klimawandels weiter sinkt; dies gilt nicht für die Polregionen.
Dort führen niedrigere Temperaturen zu einer stärkeren Bildung von polaren Stratosphärenwolken (PSCs).
Die modellierte Intensivierung des Aufsteigens von Luftmassen in der tropischen unteren Stratosphäre (GCMs, Klimamodelle, CCMs) ist ein deutliches Indiz für eine veränderte Zirkulation. Bis heute sind die Gründe und Mechanismen unklar, die diese Veränderungen verursachen. Institut für Physik der Atmosphäre
Was wissen wir bisher? ?
Die Erholung der Ozonschicht verläuft möglicherweise regional unterschiedlich. Sie ist keine simple Umkehrung des Abbaus. Eine vollständige Erholung der Ozonschicht einschließlich der Polarregionen wird etwa zur Mitte des Jahrhunderts erwartet. Ein "super-recovery" der Ozonschicht scheint möglich.
Institut für Physik der Atmosphäre
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Institut für Physik der Atmosphäre
Verwendung des Lagrang'schen Advektionsschemas ATTILA (Reithmeier und Sausen, 2002)
• ATTILA: Atmospheric Tracer Transport In a Lagrangian •
Model. Modellatmosphäre wird in eine große Zahl (498.000) von Luftpaketen gleicher Masse eingeteilt, die mit dem simulierten Windfeld advehiert werden.
• Jedem Luftpaket wird für jedes Spurengas ein Mischungsverhältnis zugeordnet. Strikt Masse erhaltend.
• • Starke Gradienten werden reproduziert.
Institut für Physik der Atmosphäre
Der Temperatur- und Feuchtefehler
E39/SLT vs. HALOE
E39/SLT vs. ERA40
Institut für Physik der Atmosphäre
Der Temperatur- und Feuchtefehler
E39/ATTILA vs. HALOE
E39/ATTILA vs. ERA40
Institut für Physik der Atmosphäre
Tropopausendruck und -temperatur
Institut für Physik der Atmosphäre
Zonalwind: Januar und Juli ERA40
E39/SLT
E39/ATTILA
Institut für Physik der Atmosphäre
Jahresgang Zonalwind: Nord- und Südhemisphäre ERA40
E39/SLT
E39/ATTILA
Institut für Physik der Atmosphäre
Wasserdampf: 50 hPa, Oktober
Institut für Physik der Atmosphäre
Stratosphärischer Chlorgehalt
Institut für Physik der Atmosphäre
Ozonprofile (80er Jahre) 74°N, 95°W
E39C E39C-A Sonden
Institut für Physik der Atmosphäre
Ozonprofile "Südpol"
frühe 1980er 1990er
E39C E39C-A
Institut für Physik der Atmosphäre
Anomalie: Gesamtozon 60°-90°S, SON
Institut für Physik der Atmosphäre
Zeitreihen des tropischen Aufsteigens
DJF (red), MAM (cyan), JJA (blue) and SON (magenta)
Institut für Physik der Atmosphäre
Zeitreihen des tropischen Aufsteigens
DJF (red), MAM (cyan), JJA (blue) and SON (magenta)
Institut für Physik der Atmosphäre
Zeitreihen des tropischen Aufsteigens
DJF (red), MAM (cyan), JJA (blue) and SON (magenta)
Institut für Physik der Atmosphäre
McLandress and Shepherd, 2009; J. Clim
Zeitreihen des tropischen Aufsteigens
Institut für Physik der Atmosphäre
Impact of SSTs on climatologies and trends (see Garny et al., 2009)
Upwelling 76 hPa REF1
JJA
Mass flux [kg/s]
annual
Mass flux [kg/s]
DJF
Upwelling 76 hPa SCN2
years
years
Trends may vary on decadal time-scales Institut für Physik der Atmosphäre
Changes of upwelling in Past and Future: Sensitivity to region of integration Difference 2000s – 1960s
Difference 2040s – 2000s
Pressure [hPa]
Pressure [hPa]
Diff from SCN2 VARYING: Integration over region where wstar points upward
FIXED: Integration over 20°S to 20°N
relative Difference in tropical Upwelling / decade [%] Institut für Physik der Atmosphäre
Sensitivity simulations
Time-slice experiments, running under same conditions for 15-20 years (+5 years spinup).
Experiment
SSTs
GHGs
Reference
2000
2000
1960SST
1960
2000
1960GHG
2000
1960
1960SST+GHG
1960
1960
2040SST
2040
2000
2040GHG
2000
2040
2040SST+GHG
2040
2040
Institut für Physik der Atmosphäre
Ozone depleting substances are left unchanged (year 2000 conditions)
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