Institutsbericht 2010/2011 - Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik ...

35 Struktur der Mesosphäre während plötzlicher Stratosphärenerwärmungen
im KMCM
(Ch. Zülicke, E. Becker)
In den Wintermonaten kommt es in der Nordhemisphäre gelegentlich zu einer plötzlichen Erwärmung
der Stratosphäre (sudden stratospheric warmings, kurz: SSWs). Die damit verbundenen
Wind- und Temperaturanomalien erfassen nicht nur die mittlere und untere Atmosphäre, sondern
lassen sich auch in der oberen Atmosphäre nachweisen. Somit empfehlen sich die SSWs zum
Studium der vertikalen Kopplung der Atmosphäre – der Schwerpunkt dieses Beitrags ist die raumzeitliche
Struktur der Mesosphäre. Insbesondere soll der Frage nachgegangen werden, ob sich in der
Mesosphäre Vorboten für SSWs finden lassen. Dazu wurden Simulationen mit dem Kühlungsborn
Mechanistic Circulation Model (kurz: KMCM) genutzt. Der untersuchte Datensatz erstreckt sich
über 570 Tage unter permanenten Januar-Bedingungen mit einer Auflösung von T120L190, was
einem Gitterpunktsabstand von horizontal 120 km und vertikal 0,6 km entspricht. Somit sind nicht
nur die für die stratosphärische Dynamik wesentlichen planetaren Rossby-Wellen erfasst, sondern
auch die in der Mesosphäre wichtigen Trägheitsschwerewellen.
Als Ergebnis der komplexen
Dynamik miteinander wechselwirkender
Wellen brachte das KMCM
spontan SSWs hervor. Im gesamten
Datensatz konnten zwei starke
SSW-Ereignisse (Umkehr des
zonalgemittelten Zonalwindes auf
10 hPa) gefunden werden, was 0,11
Ereignissen pro Monat entspricht.
Das ist etwas weniger als der aus
der Literatur bekannte Mittelwert
von 0,17 bis 0,21 (Charlton and
Polvani, 2007: J. Clim. 20: 470
- 488 ). Mit einem etwas schwächeren
Kriterium (Abschwächung
des zonalgemittelten Zonalwindes
auf 1,0 hPa unter 10 m/s) wurden
fünf SSWs gefunden, die im
Folgenden eingehender untersucht
werden. Um das dynamische Verhalten
des Modells quantitativ zu
erfassen, wurde ein Diagramm entwickelt,
das die Temperatur- und
Windanomalien in der Strato- und
Mesosphäre während SSWs darstellt
(Abb. 35.1). Die stratosphärischen
Daten zeigen eine robuste
Beziehung zwischen der Erwärmung
und der Abbremsung
des Westwindes – den Daten aus
der Mesosphäre ist lediglich die
Abkühlung gemeinsam. Was den
Abb. 35.1: Diagramm mit SSW-Kenngrößen in der mittleren
Atmosphäre (x-Achse: Abweichung der Polarkappen-Temperatur
(zwischen 60 ◦ N und 90 ◦ N) vom klimatologischen Mittelwert,
y-Achse: Abbremsung des zonalgemittelten Westwinds (bei 60 ◦ N)
von 5 Tagen vor bis 10 Tagen nach dem SSW-Ereignis); Untersuchte
Ereignisse: □ aus der Stratosphäre (etwa 1,0 hPa) und ⋄
aus der Mesosphäre (etwa 0,01 hPa), das dick gezeichnete Kreuz
kennzeichnet die stratosphärischen Beobachtungen.
Wind betrifft, zeigen 3/5 der Ereignisse eine Abbremsung und 2/5 eine Beschleunigung. Wie eine
genauere statistische Untersuchung der gesamten Zeitreihe aus Tageswerten ergab, sind 89% der
Temperaturanomalien in 1,0 und 0,01 hPa gegensinnig (stratosphärische Erwärmung – mesosphäri-
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