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

45 Zur Kohärenz von interannualen und dekadischen Variationen
im Ozon und in der stratosphärischen Temperatur
(A. Gabriel, G. Schmitz, H. Voß)
Langjährige Beobachtungen haben gezeigt, dass interannuale und dekadische Variationen im
Ozon und in der stratosphärischen Temperatur stark korreliert sind. Ein Verständnis der verschiedenen,
einerseits dynamisch-bedingten und andererseits strahlungsbedingten Ursachen dieses
kohärenten Variationsverhaltens ist jedoch noch nicht hinreichend gegeben. Mit Hilfe eines
dynamisch-chemisch gekoppelten, zweidimensionalen (2D) Zirkulationsmodells für die zonal gemittelte
Atmosphäre konnten wir bereits nachweisen, dass ein großer Anteil der interannualen
und dekadischen Ozonvariabilität auf die großskaligen Wellenflüsse durch planetare und synoptische
Wellen zurückzuführen sind. Im folgenden wird gezeigt, welche Rolle die Wellenflüsse
für das kohärente Verhalten der Variationen im Ozon und in der stratosphärischen Temperatur
spielen. Das Modell besteht aus der Kopplung einer 2D-Version des 3D GCM ECHAM
mit dem 2D- Photochemie-Modul des SOCRATES Modells, das uns G. Brasseur (persönliche
Mitteilung, 1997) zur Verfügung stellte. Die großskaligen Wellenflüsse werden aus ECMWF Re-
Analysen (ERA-15) berechnet, und mit Hilfe eines Diffusionsansatzes für die quasigeostrophische
potentielle Vorticity, die potentielle Temperatur und die Spurengase vorgegeben. Eine ausführliche
Darstellung dieses Konzeptes findet sich in Gabriel & Schmitz (J. Climate, 16, 2003). Als
Beispiel zeigt Abbildung 45.1 die durch die Wellenflüsse induzierten interannualen Temperatur-
Variationen in der unteren Stratosphäre (150-50 hPa), also in demjenigen Höhengebiet, in dem
sich der größte Teil der Ozonmasse befindet. Auffällig sind die relativ regelmäßigen Variationen
sowohl in den beobachteten als auch in den modellierten Temperaturen (Periode: ca. 40
Monate), sowie das starke Anwachsen der Amplituden von ca. 0,5 K bei 58,1 ◦ N auf ca. 1 K
bei 74,9 ◦ N. Stärkere Abweichungen zwischen beobachteten und modellierten Temperaturen finden
sich insbesondere in den Jahren 1982-84 und 1991-93, in denen sich die Eruptionen des
El Chichon (1982) und Mount Pinatubo (1991) niederschlagen. Ein Kontroll- Lauf zeigte, dass
Temperaturvariationen aufgrund der internen Modellvariabilität vergleichsweise sehr klein sind
(maximal ± 0,06 – 0,08 K).
Abb. 45.1: Abweichung der stratosphärischen Temperatur von einem mittleren Jahresgang (150-50 hPa,
laufendes Mittel über 12 Monate); blau: ERA, rot: 2D Modell.
Das kohärente Variationsverhalten von Ozon und stratosphärischer Temperatur wird in Abbildung
45.2 durch die normierten Variationen N(O3) und N(T) (normiert mit der jeweiligen
mittleren quadratischen Abweichung) bei 58,1 ◦ N demonstriert. Die strenge Kohärenz der modellierten
Variationen stimmt mit den beobachteten Variationen gut überein. Größere Abweichungen
in der Übereinstimmung von Ozon und Temperatur gibt es in den Beobachtungen
in den Jahren nach den Eruptionen des El Chichon und des Mount Pinatubo, aufgrund der
damit verbundenen Störungen in der Strahlung und in der Ozonchemie, die in den modellierten
Daten nicht enthalten sind. Weiter ergibt sich ein Verhältnis der absoluten Amplituden
von ∆O3/∆T ≈ 8-10 DU K −1 für nördliche mittlere Breiten, und ∆O3/∆T ≈ 6-8 DU K −1
124