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

tenamplituden in mittleren und hohen Breiten wesentlich größer sind, als dies nach der linearen
Theorie zu erwarten wäre. Von daher ist die Frage nach einer Modulation des Schwerewellenantriebs
durch Gezeiten berechtigt. Mithilfe eines Sensitivitätsexperimentes auf Basis der bisherigen
Version des KMCM mit aufgelösten Schwerewellen und Temperaturrelaxation als Strahlungsparametrisierung
wurde der indirekte Einfluss thermischer Gezeiten auf die residuelle Zirkulation
abgeschätzt. Dazu wurde das KMCM mit den Gezeitenanregungen durch Wasserdampfabsorption
und Konvektion in den Tropen sowie durch Ozonheizung in der mittleren Atmosphäre so ergänzt,
dass sich in hohen Breiten Gezeitenamplituden vergleichbar mit IAP-Messungen ergaben (siehe
Kap. 6 und Kap. 9). Der Vergleich mit der Kontrollsimulation ohne Gezeiten liefert dann die Effekte
der Gezeiten auf die globale Zirkulation der mittleren Atmosphäre. Diese Unterschiede sind
in Abb. 3.2 anhand von Temperatur und Schwerewellenantrieb dargestellt. Die Effekte sind nur
in der Sommer-MLT robust, weil hier die interne Langzeitvariabilität im Vergleich zum Winter
eine untergeordnete Rolle spielt. Offenbar führen Gezeitenvariationen im Mittel zu einer Absenkung
der Brechungsniveaus der Schwerewellen und damit des äquatorwärtigen Astes der residuellen
Zirkulation, was sich wiederum in einer wärmeren Sommermesopause zeigt. Eine genaue Analyse
zeigt, dass in der positiven Phase der Gezeit des Zonalwindes die im Sommer ostwärts laufenden
Schwerewellen in niedrigeren Höhen brechen, während der umgekehrte Effekt der negativen Phase
dies nicht aufwiegt. Der so veränderte mittlere zonale Wind führt wiederum dazu, dass schnelle
westwärtige Schwerewellen in der sommerlichen Thermosphäre weiter oben dynamisch instabil
werden. Die starke Erwärmung der thermosphärischen Schichten im KMCM kommt durch die
Energiedeposition der Gezeiten in Form von Reibungswärme zustande. Alle anderen bekannten
Zirkulationsmodelle der mittleren Atmosphäre ignorieren diese Energiedeposition durch Gezeiten.
Auch der Klimatrend bringt Modulationen des Schwerewellenantriebs hervor. Hier kommen
zwei unterschiedliche Prozesse zum Tragen, die sich in der Sommermesosphäre verstärken, aber
an der Mesopause kompensieren. Über den ersten Prozess haben wir schon früher berichtet. Er
besagt, dass die globale Erwärmung durch CO 2 -Verdopplung in der Troposphäre zu verstärkten
Schwerewellenquellen führt. Gemäß eines entsprechendes Sensitivitätsexperimentes mit KMCM
folgt daraus ein verstärkter vertikaler Schwerewellenfluss von ostwärtigem Impuls in die Sommermesosphäre.
Im Einklang mit dem „downward control“-Prinzip führt dies zu einer dynamisch
bedingten Abkühlung von einigen Grad, wobei der maximale Effekt direkt an der Mesopause
auftritt, wo die residuelle Zirkulation äquatorwärts abknickt (siehe Kap. 1). Abb. 3.3a zeigt die
berechnete Änderung für die Temperatur und die Stromlinien der residuellen Zirkulation. Im Gegensatz
zu dieser dynamisch induzierten Klimaänderung führen die Strahlungsänderungen durch
CO 2 -Zunahme in der mittleren Atmosphäre generell zu einer Abkühlung. Ausnahme ist die kalte
Sommermesopause, wo die Absorption von Wärmestrahlung aus der Troposphäre die Emission
überwiegt. Wir haben das entsprechende Muster in einem Sensitivitätsexperiment mit der neuen
Version des KMCM, in der u. a. eine neuartige Berechnung des Strahlungstransfers implementiert
wurde, nachgestellt (siehe Abb. 3.3c). Um hier tatsächlich dieselben atmosphärischen Schichten mit
denen des Kontrollexperimentes zu vergleichen, müssen Druckkoordinaten gewählt werden. Denn
die große Strahlungsabkühlung im Bereich der Stratopause bei CO 2 -Verdopplung führt bekanntlich
zu einem starken Absinken der darüber liegenden Luftmassen.
Bemerkenswert ist bei beiden Modellantworten, dass sich die Veränderung des Zonalwindes
(Abb. 3.3b und d) so einstellt, dass die daraus resultierenden Verschiebungen der Brechungsniveaus
der Schwerewellen der Temperaturänderung entgegenwirken. Im ersten Fall führt die positive Zonalwindanomalie
dazu, dass die Schwerewellen in niedrigeren Höhen brechen, was einer dynamischen
Erwärmung direkt oberhalb der Mesopause entspricht. Im zweiten Fall kommt es aufgrund
der Strahlungserwärmung im Mesopausenbereich zu einer negativen Zonalwindanomalie direkt
darüber. Dadurch verschieben sich die Brechungsniveaus zusammen mit der dynamischen Abkühlung
weiter nach oben. Zudem konzentriert sich die residuelle Zirkulation bei CO 2 -Verdopplung
unterhalb der Mesopause mehr in den mittleren Breiten. Zukünftig sollen im Rahmen des Leibniz-
Projektes LOCHMES die beiden in Abb. 3.3 dargestellten Prozesse erstmalig mithilfe der neuen
Version des KMCM mit aufgelösten Schwerewellen zusammenhängend untersucht werden.
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