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

43 Die Beschreibung der Mischungsbarrieren in der Stratosphäre
und unteren Mesosphäre durch die effektive Diffusion
(S. Kostrykin 6 , G. Schmitz)
Der Transport von Spurengasen in der Stratosphäre und Mesosphäre wird stark beeinflusst
durch den zonal gemittelten Wind, der die bekannten Transportbarrieren in den Subtropen
und polaren Breiten bestimmt. Um den Einfluss des Transportes auf die Spurengase in der
mittleren Atmosphäre im Einzelnen zu verstehen, ist es erforderlich die zeitliche und räumliche
Veränderlichkeit dieser Austauschbarrieren zu quantifizieren. Betrachtet man die Mischung auf
Isentropen, dann ist das Verfahren der effektiven Diffusion, wie es von Allen und Nakamura
(J. Geophys. Res., 106, 2001, AN) auf der Basis der assimilierten UKMO-Windfelder genutzt
wurde sehr gut geeignet. Diese Methode erlaubt eine Reduzierung der Transportgleichung auf
eine Diffusionsgleichung.
Im Folgenden wird die Mischung eines passiven Tracers bis in die untere Mesosphäre durch
Angabe der effektiven Diffusion charakterisiert. Die Untersuchungen basieren auf den Windfeldern
des GCM’s (Volodin, Schmitz, Tellus, 53A, 2001). Es wird ein neu entwickeltes Semi-
Lagrange Integrationsschema der Advektions-Diffusions-Gleichung genutzt, das eine wesentlich
geringere numerische Diffusion ergibt. Das Bild der ”chaotischen Advektion” wird von der unteren
Stratosphäre bis zur unteren Mesosphäre angewandt. Im Vergleich mit UKMO-Daten geben
die Ergebnisse Aussagen darüber wo die größten Unterschiede in der Mischung auftreten, die
aber von Modell zu Modell sehr unterschiedlich sein können.
Das Verfahren zur Berechnung der effektiven Diffusion nutzt die nichtdivergenzbehafteten
Anteile des Geschwindigkeitsfeldes. In der Troposphäre und unteren Stratosphäre ergibt dieser
den wesentlichen Anteil. In größeren Höhen nimmt der Anteil der divergenzbehafteten Windkomponente
stark zu und beide Anteile sind bei etwa 75 km vergleichbar. Dies bedeutet, dass durch
ein derartiges Geschwindigkeitsfeld nicht allein das horizontale Mischen bestimmend ist. Damit
ist das Bild der chaotischen Advektion oberhalb von ∼ 70 km Höhe nicht mehr anwendbar.
Abb. 43.1: Das momentane Mischungsverhältnis eines Tracers
(die Anfangsverteilung eine lineare Funktion der Breite) in unterschiedlichen
Isentropen nach Integration über einen Monat Januar.
Die schwarzen Konturen sind die Stromfunktion in m 2 s −1 .
In Abb. 43.1 sind die Tracerverteilungen
in der Nordhemisphäre
nach 1 Monat Integration
unter Januarbedingungen
auf verschiedenen Isentropen
angegeben (800 K ∼ 30 km,
4000 K ∼ 72 km, 5000 K ∼
80 km Höhe). Die Windfelder
des Zirkulationsmodells sind in
einer Auflösung von 5x4 ◦ gegeben
und die Advektionsgleichung
wurde für 0,25x0,2 ◦ gerechnet.
In 860 K tritt im Zentrum
des Polarwirbels kaum eine
Vermischung auf, erkennbar
an den konzentrischen Kreisen, die durch die Anfangsverteilung gegeben sind. Das Gebiet der
bekannten Surf-Zone mit den ”brechenden” Wellen ist ersichtlich. Die Linien konstanter Mischungsverhältnisse
fallen im Polarwirbel mit der Stromfunktion zusammen. In 4000 K ist auch
in den polaren Breiten eine Durchmischung ersichtlich, die Strukturen der Brechung mit geringeren
Skalen zeigen und zu 5000 K sich weiter verringern. In noch größeren Höhen bei 9000 K
treten Rossby Wellen auf, wobei aber in diesen Höhen die Mischung auf den Isentropen nur
begrenzt gültig ist.
6 Institut für Numerische Mathematik der Russischen Akademie der Wissenschaften
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