LEIBNIZ-INsTITUT FöUR ATMOsPHöARENPHYsIK e. V. an der ...

30 Die Wirkung von NOx-Emissionen in einem dynamisch-chemisch
gekoppelten 2D-Zirkulationsmodell
(A. Gabriel, G. Schmitz)
Auf Grundlage eines dynamisch-chemisch gekoppelten 2D-Zirkulationsmodells wurde die Klimawirkung
von natürlichen und anthropogenen NOx-Emissionen untersucht. Die wesentliche
Fragestellung war, ob den inherenten Wechselwirkungen zwischen Dynamik, Strahlung, Transport
und Chemie eine besondere Bedeutung zukommt.
Abb. 30.1 Ozon und residuelle Massenstromfunktion
Das 2D-Modell beruht auf dem 3D-GCM ECHAM3 (Roeckner et al., MPI Report 93, Hamburg),
einer konsistenten Parametrisierung der zonal gemittelten Impuls- und Wärmeflüsse, und
einem 2D-Photochemiemodell, das uns freundlicherweise G. Brasseur (persönliche Mitteilung,
1997) zur Verfügung stellte. Im Berichtszeitraum wurde als wesentliche Neuerung die Rückkopplung
der im Chemiemodul berechneten Ozonverteilungen auf die Strahlungsberechnung im
Klimamodell eingeführt. Damit können im Modell erstmals die Wechselwirkungen zwischen dem
Klimasystem und der atmosphärischen Chemie interaktiv gekoppelt berücksichtigt werden. Zur
Zeit wird das 2D-Modell auf Grundlage des MA/ECHAM4 (bis ca. 80 km Höhe) erweitert. Die
im Berichtszeitraum publizierten Arbeiten (Gabriel et al., 1999; Gabriel and Schmitz, 1999) zeigen,
dass das Klima und die Spurengasverteilungen im Vergleich zu Beobachtungen realistisch
wiedergegeben werden. Als Beispiel zeigt Abb. 30.1 die residuelle Massenstromfunktion und die
Ozonverteilung des gekoppelten 2D Modells.
Die NOx-Emissionen aus dem Flugverkehr erfolgen zum größten Teil in 10-12 km Höhe bei
30 ◦ -60 ◦ N, und werden sich vermutlich innerhalb der nächsten 20 Jahre verdoppeln. Chemie-
Transport-Modelle (CTM’s) sagen einen maximalen Anstieg im NOx von ca. 20-120 pptv und
im Ozon von ca. 1-10 ppbv durch den heutigen Flugverkehr voraus, Klimamodelle einen durch
diese Ozonänderungen induzierten schwachen Treibhauseffekt (Brasseur et al., Atmos. Env., 32,
2327, 1998). Die Wechselwirkungen zwischen den Klimaänderungen und den Ozonänderungen
sind bisher nicht berücksichtigt worden. Hierzu wurden mit dem 2D Modell eine Reihe von
Modellexperimenten mit und ohne NOx-Emissionen durchgeführt, jeweils mit unterschiedlicher
Berücksichtigung der NOx-induzierten Ozonänderungen im Strahlungsblock des Klimamodells:
(1) im ” off-mode“ wird das Ozon im Strahlungsblock in Anlehnung an das 3D ECHAM3
klimatologisch vorgegeben; Vergleichsexperimente zeigen dann die Wirkung der NOx-Emissionen
auf die Ozonverteilung ohne Rückkopplung auf das Klima (CTM);
(2) im ” fixed-mode“ wird die im off-mode berechnete Ozonverteilung im Strahlungsblock als
Monatsmittel vorgegeben; Vergleichsexperimente zeigen dann im Sinne einer ” Einbahnstrasse“
die direkten Wirkungen des ozon-induzierten Treibhauseffektes;