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

In Abb. 43.2 ist die jahreszeitliche Abhängigkeit der effektiven Diffusion auf den angegebenen
Isentropen gezeigt. In der unteren Stratosphäre (450 K) ist im Sommer der Nordhemisphäre die
Mischung in den Extratropen am stärksten ausgeprägt. Es ist in guter Übereinstimmung mit
den Ergebnissen von AN und zurückzuführen auf die Ausbreitung der niederfrequenten langen
Wellen im schwachen Westwind. Die Mischung im Sommer der Südhemisphäre ist vergleichsweise
gering und resultiert aus dem betragsmäßig größeren zonalen Wind. Die Lage, Effektivität der
Mischungsbarrieren in den Tropen und im Polarwirbel sind ersichtlich.
In 800 K erkennt man einen sehr schwachen Diffusionskoeffizienten von 30 ◦ S im Januar
zu etwa 60 ◦ N im Juli, im Gebiet des Ostwindes. Die ausgedehnte Surf-Zone im Winter der
Nordhemisphäre durch die brechenden Rossby Wellen ist erkennbar, aber im Winter der Südhemisphäre
geringer ausgebildet. Zurückzuführen sind die Unterschiede auf die in der Anregung
stehender planetarer Wellen in beiden Hemisphären und auf die daraus resultierende Änderung
der Brechung der Wellen an der Nullwindlinie.
Während bis etwa 1900 K noch assimilierte Windfelder (UKMO) zur Verfügung stehen, ist
eine Berechnung der effektiven Diffusionskoeffizienten oberhalb dieser Höhe nur mit GCM-Daten
möglich. Auf dieser Basis wurden die Untersuchungen ausgedehnt auf die untere Mesosphäre
(4000 K).
Abb. 43.2: Der Logarithmus von Keff /Knum für unterschiedliche
Isentropenflächen in Abhängigkeit von der Jahreszeit
a) und für den Januar von 400 K bis 4000 K b). Die
Isolinien in 10 m s −1 geben den mittleren zonalen Wind an.
Zunächst zeigen sich in dieser Höhe
Gebiete starker Durchmischung in den
Tropen in allen Jahreszeiten, im Unterschied
zu den Höhen in der Stratosphäre,
mit maximalen Diffusionskoeffizienten
im März/April bzw. September/Oktober.
In diesen Jahreszeiten
erkennt man in allen geographischen
Breiten erhebliche Werte in der Durchmischung.
Der effektive Diffusionskoeffizient
ergibt eine etwa halbjährliche
Oszillation, die bis 30 ◦ Breite sehr ausgeprägt
ist. Diese Oszillation ist unmittelbar
gekoppelt an die Nullwindlinie.
Rechnungen mit Modelldaten,
aus denen die niederfrequenten Wellen
gefiltert wurden ergeben dagegen
keine nennenswerte Beiträge im Diffusionskoeffizienten.
Damit stehen die
erhöhten Werte bei 30 ◦ Breite und in
den Übergangsjahreszeiten in unmittelbarem
Zusammenhang mit der Brechung
der Wellen in den Schwachwind-
gebieten. Vergleicht man den zonal gemittelten Wind der Monate April und Oktober mit dem
der CIRA86, da keine globalen Windfelder verfügbar sind, dann ist die Übereinstimmung vergleichsweise
gut in dieser Höhe, so dass die Oszillation kein Modelleffekt ist. In den Tropen
ist das Übergreifen des sommerlichen Ostwindes in der unteren Mesosphäre im Modell aber zu
schwach ausgeprägt, was vermutlich die ausgedehnten Gebiete hoher Mischung in den Tropen
ergibt. Die Höhenabhängigkeit des effektiven Diffusionskoeffizienten für die winterliche Nordhemisphäre
zeigt sehr schön die Abhängigkeit vom zonalen Wind. Interessant und nicht ganz
verständlich sind die relativ hohen Werte in Keff im Ostwindgebiet und oberhalb 3000 K.
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse zum effektiven Diffusionskoeffizienten in der unteren
Mesosphäre, dass dieser sich erheblich von dem in der Stratosphäre in der jahreszeitlichen und
geographischen Abhängigkeit unterscheidet. Insgesamt wird die räumliche und zeitliche Struktur
der Mischungsgebiete durch den mittleren zonalen Wind auch in diesem Höhenbereich bestimmt.
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