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

37 Einfluss des 11-jährigen Sonnenzyklus auf die planetaren
Wellenstrukturen in der Stratosphäre und Mesosphäre
(A. Gabriel, D.H.W. Peters)
Die stationären Wellenstrukturen in der räumlichen Verteilung des stratosphärischen Ozons (hier
gekennzeichnet durch die zonal asymmetrische Ozonkomponente O 3 *=O 3 −[O 3 ], [ ]: zonales Mittel)
haben einen signifikanten Einfluss auf die lokale Strahlungserwärmung und damit auf die planetare
Wellenausbreitung, die Temperatur und die Zirkulation in der Troposphäre, Stratosphäre und
Mesosphäre. Daraus ergibt sich die Frage, ob extern verursachte Variationen in der Strahlung,
wie z. B. der 11-jährige Zyklus in der Sonnenaktivität, die Wirkungen von O 3 * modifizieren. Hierzu
wurden die stationären Wellenstrukturen in Langzeitsimulationen mit dem Zirkulations- und
Chemie-Modell HAMMONIA (Kooperation: H. Schmidt, MPI-Met Hamburg) und in den ECMWF
Reanalysen 1958 – 2002 (ERA-40) für Jahre mit hoher und niedriger Sonnenaktivität analysiert.
Das HAMMONIA-Modell ist eine vertikal erweiterte, gekoppelte Version des Zirkulationsmodells
ECHAM des MPI-Met (Hamburg) und des Chemiemodells MOZART des NCAR (Boulder).
Wir verwenden Simulationen mit vorgeschriebener klimatologischer SST (sea surface temperature)
über jeweils 30 Jahre mit maximaler und minimaler Sonnenaktivität (Schmidt et al., JGR, 2010 ).
Die beiden Ensembles der ERA-40-Daten, die jeweils 16 Jahre mit hoher (1968 – 71, 1979 – 82,
1989 – 92, 1999 – 2002) und niedriger (1963 – 66, 1974 – 77, 1984 – 87, 1994 – 97) Sonnenaktivität
enthalten, bergen aufgrund der geringen Anzahl von Dekaden sowie der begrenzten Verfügbarkeit
von Beobachtungen gewiss einige Unsicherheiten, geben jedoch Einblicke in die Variationen der
Wellenstrukturen die zurzeit sonst nicht möglich sind. Andererseits ermöglichen die Modellsimulationen
aufgrund der vereinfachten SST eine genauere Zuordnung der beteiligten physikalischen
Prozesse, über die die Variationen in der Sonnenaktivität Einfluss auf die Zirkulation nehmen.
Abb. 37.1: Abweichung vom zonalen Mittel in geopotentieller
Höhe Φ*= Φ−[Φ] und Ozon O 3 *=O 3 −[O 3 ] für das Minimum
der Sonnenaktivität (links), und Differenzen △Φ* und △O 3 *
zwischen Maximum und Minimum (rechts, mit 90%-, 95%-,
99%-Signifikanz), Januar, 10 hPa (≈30 km), HAMMONIA.
Üblicherweise bildet sich während
des Nordwinters in der Stratosphäre
eine stationäre Wellenstruktur mit zonaler
Wellenzahl 1 (positive Anomalie
im Geopotential über den Aleuten,
negative Anomalie über Nordeuropa/Westsibirien).
Abb. 37.1 zeigt die
vom Modell berechneten Anomalien in
geopotentieller Höhe (Φ*) und Ozon
(O 3 *) bei 10 hPa für das Minimum
der Sonnenaktivität (links) sowie die
Differenzen △Φ* und △O 3 * zwischen
Maximum und Minimum (rechts), jeweils
für Januar. Die Änderung der
Sonnenaktivität verursacht offenbar eine
Verstärkung der Amplitude sowie
eine ostwärtige Phasenverschiebung in
der Wellenstruktur. Mit Hilfe genäherter,
linearer Lösungen konnten wir zeigen,
dass ein Teil von △Φ* (ca. 50%)
primär durch die modifizierte Strahlungserwärmung
△Q(O 3 *) und der damit
induzierten Änderung im meridionalen
Transport von planetarer Vorticity
(β-Effekt) hervorgerufen wird, der
andere Teil durch nachfolgende nichtlineare
Dynamik, d. h. durch die mo-
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