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January 8, 2018 | Author: Anonymous | Category: Wissenschaft, Umweltwissenschaften, Wetter Und Klima
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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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