DARWIN Digitale Dissertationen German Version Strich

FU Berlin
Digitale Dissertation

Marion Müller :
Polar Stratospheric Clouds and Mesoscale Dynamics at the Polar Vortex Edge
Polare Stratosphärenwolken und Mesoskalige Dynamik am Polarwirbelrand

FU Logo


|Abstract| |Table of Contents| |More Information|

Abstract

abstract The influence of mesoscale atmospheric dynamics on the formation of polar stratospheric clouds (PSCs) is investigated,
based on lidar (light detection and ranging) measurements performed in Sodankylä (Finland, 67.25° N, 26.65°E) and
Ny-Ålesund (Spitsbergen, 78.55°N, 11.55°E).

The meteorological situation of the arctic stratosphere during the winters  1996/1997 to 1999/2000 is described. As the
winter 1999/2000 was characterized by a very cold and stable polar vortex, the period was chosen for a study on different
PSC types. Measurements of PSCs consisting of solid and/or liquid particles are presented, namely the PSC types I a and I b
as well as type I a/b-mixtures and "sandwich-PSCs". In addition, the extraordinary PSC events of January 24/25 and
January 26/27, 2000, and their likely composition of very large particles ('NAT-rocks') are pointed out.

For the first time, PSC observations at the edge (Sodankylä) and in the centre (Ny-Ålesund) of the polar vortex are compared.
It is found that the existence of PSCs is favoured at the vortex edge. Three approaches are made to explain this result.
First, it is shown that temperature fluctuations in stratospheric lee waves (induced at the Scandinavian mountain ridge) lead
to the formation of water ice PSCs above Sodankylä although the synoptic temperatures are above the frost point.
The lee wave approach suggests that stratospheric temperatures are locally shifted below the PSC existence temperature.
In the following, the submitted thesis tracks a new idea by suggesting the PSC existence temperature being shifted to higher
temperatures by a fluctuation in trace gases (especially H2O). In this context, the development of filaments at the vortex edge
is calculated using the contour advection method. However, the analysis of PSC data together with filamentary structures shows
no enhancement or reduction of the PSC probability in the presence of extrusions or intrusions.
Finally, the water vapour distribution within the polar vortex gives an explanation on the different PSC observations. Due to the
strong descent, maximum H2O-mixing ratios occur at the vortex edge, shifting PSC existing temperatures to higher temperatures.
In the centre of the vortex, PSC existence temperatures are shifted to lower temperatures due to the scarceness of water vapour.

By combining the experimental lidar results with the meteorological approaches of atmospheric dynamics, it was possible to point
out a complex picture of PSC existence in the northern hemispheric polar vortex.
 


Table of Contents

Download the whole PhDthesis as a zip-tar file or as zip-File

For download in PDF format click the chapter title

Titel

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

1 Stratosphärisches Ozon
1.1 Aufbau der Atmosphäre
1.2 Ozonchemie
1.3 Globale Ozonverteilung
1.4 Natürlich bedingte Ozonschwankungen
1.5 FCKW-Chemie
1.6 Ozonloch-Chemie
1.7 Entwicklung des antarktischen Ozonlochs

2 Makroskalige Dynamik der polaren Stratosphäre
2.1 Entstehung des Polarwirbels
2.2 Beschreibung des Polarwirbels
2.2.1 Beschreibung des Polarwirbels
2.2.2 Potentielle Vorticity
2.2.3 Die Wirbelrandzone
2.3 Unterschiede nord- und südhemisphärischer Polarwirbel
2.4 Planetarische Wellen
2.5 Stratosphärenerwärmungen

3 Stratosphärische Aerosole
3.1 Entstehung von Aerosolen
3.1.1 Aerosolwachstum durch Nukleation
3.1.2 Aerosolwachstum durch Kondensation
3.1.3 Sedimentation von stratosphärischem Aerosol
3.2 Stratosphärisches Hintergund-Aerosol (Junge-Schicht)
3.3 Vulkanaerosol
3.4 Polare Stratosphärenwolken
3.4.1 Entstehung verschiedener PSC-Partikel
3.5 Auswirkungen verschiedener PSC-Partikel
3.5.1 Denitrifizierung
3.5.2 Dehydrierung

4 PSC-Messungen mit dem Lidar
4.1 Das Lidar-Meßprinzip
4.1.1 Die Lidar-Gleichung
4.1.2 Inversion der Lidar-Gleichung
4.2 Atmosphärische Streuprozesse
4.2.1 Molekülstreuung
4.2.2 Partikelstreuung und Mie-Theorie
4.3 Depolarisation
4.3.1 Depolarisation an sphärischen Partikeln
4.3.2 Depolarisation an Luftmolekülen
4.3.3 Depolarisation an asphärischen Partikeln
4.4 Teilchenensemble und Größenverteilungen
4.5 PSC-Klassifizierung mit dem Lidar
4.6 Lidar-Messungen
4.6.1 Beschreibung der Lidar-Systeme
4.6.2 Fehlerabschätzung
4.6.3 PSC-Beobachtungen während der Meßwinter

5 Stratosphärische Meteorologie im Beobachtungszeitraum
5.1 Winter 1996/1997
5.2 Winter 1997/1998
5.3 Winter 1998/1999
5.4 Winter 1999/2000
5.4.1 Arktische Ozonabnahme im Frühling 2000

6 PSC-Meßergebnisse: Makroskalige Interpretation
6.1 Ny-Ålesund PSC-Beobachtungen im Winter 1999/2000
6.2 Flüssige PSC-Partikel: PSC-Typ I b
6.3 Feste PSC-Partikel: PSC Typ I a (enhanced)
6.3.1 Große NAT-Partikel, "NAT-Rocks"
6.4 Mischungen fester und flüssiger Partikel
6.4.1 PSC I a/b Mischungen
6.4.2 PSCs mit "Sandwich-Struktur"

7 Mesoskalige Prozesse in der Stratosphäre
7.1 Unterschiede der PSC-Beobachtungen in Sodankylä und Ny-Ålesund
7.2 Zusammenhang von PSCs und stratosphärischen Leewellen
7.3 Zusammenhang von PSCs und Spurengas-Schwankungen

8 Stratosphärische Leewellen
8.1 Theoretische Grundlagen der stratosphärischen Leewellen
8.2 Mesoskalige Modelle stratosphärischer Leewellen
8.3 Leewellen-induzierte PSC-Ereignisse
8.4 PSC Typ II in Sodankylä und stratosphärische Leewellen
8.4.1 Unsicherheit der Temperaturmessung
8.4.2 PSC Typ II am 21./22. und 23.Jan1997
8.4.3 PSC Typ II am 16.Dez.1997
8.4.4 PSC Typ II am 2.Dez.1998

9 Mesoskalige Strukturen am Polarwirbelrand
9.1 Filamentstrukturen am Wirbelrand
9.1.1 Laminae
9.1.2 Filamente
9.2 Filamente und polare Stratosphärenwolken
9.3 Konturadvektions-Simulation
9.4 PSC-Beobachtungen und Filamentstrukturen

10 PSCs und stratosphärischer Wasserdampf
10.1 Globale Verteilung von stratosphärischem Wasserdampf
10.2 Verteilung von stratosphärischem Wasserdampf im Wirbel
10.3 Keine Wassereis-PSCs im Wirbelzentrum
10.4 PSCs am Wirbelrand
10.4.1 Ergebnisse des Vergleichs von Wirbelzentrum und Wirbelrand
10.5 Entwicklung von Wasserdampf und Temperaturen in der Stratosphäre

11 Zusammenfassung

Abkürzungsverzeichnis

Literaturverzeichnis
-

-

1

5
5
6
8
10
11
13
16

19
19
21
21
22
24
26
28
29

31
31
32
32
33
33
34
34
36
40
40
45

47
47
49
49
51
51
52
53
53
53
54
56
57
58
59
61
61

63
63
66
68
70
72

73
73
78
79
81
83
83
84

87
87
89
90

93
93
96
98
100
100
100
105
109

111
111
113
114
116
117
121

125
125
129
132
135
142
147

151

155

157

More Information:

Online available: http://www.diss.fu-berlin.de/2001/94/indexe.html
Language of PhDThesis: german
Keywords: polar stratospheric clouds, mesoscale dynamics, lidar, arctic stratosphere
DNB-Sachgruppe: 29 Physik, Astronomie
Classification PACS: 92.60.Mt , 42.68.Wt
Date of disputation: 23-Apr-2001
PhDThesis from: Fachbereich Physik, Freie Universität Berlin
First Referee: Prof. Dr. Ludger Wöste
Second Referee: Prof. Dr. Karin Labitzke
Contact (Author): mmueller@awi-potsdam.de
Contact (Advisor): woeste@physik.fu-berlin.de
Date created:11-Jun-2001
Date available:13-Jun-2001

 


|| DARWIN|| Digitale Dissertationen || Dissertation|| German Version|| FU Berlin|| Seitenanfang ||


Mail-Icon Fragen und Kommentare an:
darwin@inf.fu-berlin.de

© Freie Universität Berlin 1999