Institutsbericht 2002/2003 - Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik ...

42 Zur Dynamik der Zirkulationszelle in der tropischen Stratosphäre
(G. Schmitz, E. Becker, H. Voß)
Im Höhengebiet der Troposphäre und unteren Stratosphäre entwickelt sich das Wetter und wird
unser Klima geprägt. Die Mesosphäre ist charakterisiert durch eine Dynamik, die sich aus den
brechenden Schwerewellen ergibt, die in der Troposphäre angeregt werden. Im Stratopausengebiet
ergibt sich einerseits ein ausgeprägter meridionaler Gradient in den Erwärmungsraten
(durch Ozon) und andererseits ist der ”wave drag” durch die planetaren Wellen von erheblichem
Betrag; der durch die internen Wellen noch von geringerer Bedeutung. Für die Tropen der Troposphäre
ist bekannt, dass die thermisch direkt getriebene Hadley-Zirkulation modifiziert wird
durch den meridionalen Transport von Vorticity der synoptischen und planetaren Wellen und so
liegt es nahe zu fragen, ob nicht ein dynamisch vergleichbares Bild Anwendung in der Stratopause
finden kann. In der Tat wird kürzlich auf der Grundlage von mechanistischen 2D-Modellen
diese Frage untersucht (Semeniuk, Shepherd , J. Atmos. Sci., 58, 2001), wobei in der Stratosphäre
das Problem im Vergleich zur Troposphäre dadurch komplizierter wird, dass während der
Solstitien ein Gradient in der Strahlungsgleichgewichtstemperatur zwischen der sommerlichen
und winterlichen Atmosphäre und damit über dem Äquator auftritt.
Aufgabe des Beitrags ist es, auf der Grundlage von einfachen 3D-Zirkulationsexperimenten
unter Januarbedingungen die Bedeutung einer thermisch direkt getriebenen, und damit nicht
linear bestimmten, meridionalen Zirkulation bzw. den Beitrag der durch Wellen getriebenen Zirkulation
in der Stratosphäre aufzuzeigen. In 3D-Modellen bestimmt sich der ”Wellenwiderstand”
selbst aus dem zonal gemittelten Wind und der Temperatur, wodurch eine Konsistenz in den
Feldern gegeben ist. Erschwert wird damit aber nicht unerheblich ein Verständnis der Prozesse
im Vergleich zu den mechanistischen 2D-Modellen.
Grundlage der Untersuchungen ist das KMCM-Zirkulationsmodell (Becker, Schmitz, J. Atmos.
Sci., 60, 2003) in 2D- und 3D-Version. Die Zirkulationsexperimente werden ohne Anregung
der planetaren Wellen (Aquaplanet) bzw. mit orographischer und thermischer Anregung der
Wellen (volles Modell) durchgeführt. Dazu werden Experimente mit variabler Strahlungsgleichgewichtstemperatur
durchgeführt, um den Einfluss des thermischen Antriebs in seiner relativen
Bedeutung zum Wellenwiderstand beurteilen zu können.
Abb. 42.1: Die advektiven Terme des absoluten Drehimpulses dM/dt/a und der Wellenwiderstand in
m s −1 d −1 und die Erwärmungsraten Kd −1 für das Aquaplanet-Experiment.
Betrachtet man den Gesamtdrehimpuls für die Aquaplaneten, zusammen mit den Erwärmungsraten,
Abbildung 42.1, dann ergibt sich ein sehr unterschiedliches Verhalten in der unteren
Stratosphäre bzw. in der Stratopausenhöhe. In der unteren Stratosphäre wird die Drehimpulsbilanz
durch den linearen Corriolisterm und den ”wave drag” durch synoptische Wellen bestimmt.
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