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

In den Extratropen der Stratosphäre bestimmt der ”Wellenwiderstand” durch die planetaren
Wellen die residuelle Zirkulation. In der oberen Stratosphäre und unteren Mesosphäre ergibt
sich aber über dem Äquator ein Gradient in der Strahlungsgleichgewichtstemperatur.
Abb. 2.4: Die Temperatur und der zonale Wind für das
axial-symmetrische Modell bei unterschiedlichen Reibungsparametern.
(blau - schwache -, grün - erhöhte Reibungskoeffizienten,
rot - Strahlungsgleichgewichtstemperatur).
In Abb. 2.4 ist der zonale Wind
und die Temperatur für ein vollständiges
2D-Modell ohne Wellenwiderstand
angegeben. Bei schwachen Diffusionsparametern
ist eine Abweichung
von der Strahlungsgleichgewichtstemperatur
sehr genähert durch das theoretische
Bild einer Hadley-Zirkulation
gegeben, wobei allerdings die Gebiete
der Erwärmungs- Abkühlungsraten jeweils
zu weit polwärts von den mittleren
Breiten ausgedehnt sind und auf
den Einfluss der ”Reibungsparameter”
zurückzuführen sind, wie die Abb. 2.4
zeigt. Es wird in diesem Höhengebiet eine thermisch direkt getriebene Zirkulation induziert,
die in Wechselwirkung mit einer wellengetriebenen Zirkulation steht. Im Einzelnen wird darauf
eingegangen in Kap. 42. Wichtig ist, dass man nur durch das Zusammenwirken beider Zirkulationskomponenten
sowohl das ”upwelling“’ in der Sommerhemisphäre als auch damit die über die
Hemisphären übergreifende meridionale Zirkulation versteht; allein die wellengetriebene Zirkulationskomponente
vermag das Phänomen nicht zu erklären. Gegenwärtig ist die Bedeutung dieser
thermisch direkt getriebenen Zirkulationskomponente für das Gebiet der mittleren Stratosphäre
nicht geklärt. Es sei erwähnt, dass eine thermisch direkt getriebene Zirkulation die Gültigkeit
des ”downward control” Prinzips relativiert. Interessant ist aber besonders die Tatsache, dass
sich offenbar in der oberen Stratosphäre ein zur Hadley-Zirkulation der Troposphäre ähnliches
Phänomen zeigt, was hilfreich im Systemverständnis ist. Die sich aus diesem Mechanismus der
Zirkulation ergebenden Rückkopplungsprozesse sind nicht verstanden, insbesonders wenn die
Wechselwirkung von Dynamik, Chemie und Strahlung berücksichtigt wird.
Die langen Wellen tragen aber in der oberen Stratosphäre und unteren Mesosphäre nicht
nur über die residuelle Zirkulation zur Schichtenkopplung bei, sondern indirekt auch über die
quasi-horizontale Mischung von Tracern, siehe Kap. 43. Die effektive Diffusion, als ein Maß
der Mischung, beschreibt die Mischungsbarrieren von der Troposphäre bis zur unteren Stratosphäre
und zeigt damit auch die Gebiete auf, in denen über chemische - und Strahlungs-Prozesse
Kopplungen wichtig werden können.
Von der Stratopause aufwärts gesehen beginnt das Höhengebiet, in dem die residuelle Zirkulation
zunehmend durch die in der Mesosphäre brechenden internen Schwerewellen bestimmt
ist. Unsere Modellexperimente zeigen, dass unterhalb von 50 km deren Einfluss gering ist. Die
Impulsdeposition in der Mesosphäre ist durch das in der Troposphäre angeregte Wellenspektrum
bestimmt und deren Ausbreitung im Hintergrund, der charakterisiert wird durch den zonal gemittelten
Wind, die planetaren Wellen, die Gezeiten und die langen internen Wellen selbst. In
der Turbulenz dieses Höhengebietes, vermutlich wesentlich durch brechende interne Wellen erzeugt,
spiegelt sich damit auch ein Aspekt der Schichtenwechselwirkung (Kap. 41) wider. Die
wellengetriebene Zirkulation in einer Höhe ergibt sich, im Sinne des ”downward control” Prinzips
als diagnostisches Mittel, aus dem Integral über den gewichteten zonal gemittelten Wellenwiderstand
der darüber liegenden Schichten. Dabei berücksichtigt man die internen Wellen
durch unterschiedliche Parametrisierungen, wobei diese im Allgemeinen einfache Modelle für
die Brechung der Wellen zu Grunde legen und weniger den tatsächlichen physikalischen Prozess.
Entsprechendes gilt auch für die Beschreibung der Turbulenz in diesem Höhengebiet. Die
Anpassung der Parametrisierungen erfolgt z.B. mit Messungen zur Dissipationsrate (Kap. 21).
Es sind Messungen zu Wellenanregungsprozessen und zu Schwerewellenparametern notwendig,
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