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FU Berlin
Digitale Dissertation

Markus Rex :
Ozone loss in the Arctic Stratosphere: Results of a new approach (Match)
Der Ozonabbau in der arktischenStratosphäre: Ergebnisse einer neuen Meßstrategie (Match)

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Abstract

In this work a new Lagrangian approach, termed 'Match', has been developed to separate chemically induced ozone loss in the Arctic stratosphere from ozone changes due to dynamical effects and to quantify the rate of chemical loss. The main element of the new approach is the coordinated launch of 600 to 1000 ozonesondes in large international campaigns. Two of these measurement campaigns were carried out during the Arctic winters of 1994/95 and 1995/96. The ozone soundings were perfromed by a network of 35 stations in the Arctic and northern mid-latitudes. During the campaigns the motions of all air masses probed by any of these sondes at certain pre-defined levels were tracked and predicted. If a previously probed air mass approached one of the contributing stations, a second sonde was launched into this air mass at the forcasted optimal launch time. The infrastructure necessary for the real-time coordination of the launches was developed and set up. Beside the network of ozonesonde stations, the European Centre for Medium Range Weather Forecast (ECMWF), near real-time trajectory calculations of the Free University of Berlin, and radiation transport calculations of the University Cambridge were part of this infrastructure. Chemical ozone loss rates were derived from statistical analyses of the individual pairs of ozone measurements that are linked by the air mass trajectories, and the periods of time these air masses encountered sunlight between the measurements. Due to the new approach and the coordinated campaigns the time evolution and the vertical distribution of chemical ozone loss was successfully determined for the winters 1994/95 and 1995/96. The results are presented together with a Lagrangian reanalysis of the ozone loss during the Arctic winter 1991/92.

Table of Contents

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Titel und Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung 5
Verzeichnis der abschnittsübergreifend verwendeten Variablen 7
1 Einleitung 10
1.1 Motivation 10
1.2 Bisher erreichter Wissenstand 11
1.3 Ziel der vorliegenden Arbeit 11
2 Grundlegende Größen 13
2.1 Meßgrößen für Ozon 13
2.2 Die potentielle Temperatur als Höhenskala 14
2.3 Meßgrößen für die potentielle Vorticity 17
2.3.1 Normierte potentielle Vorticity 17
3 Ozon in der polaren Stratosphäre 19
3.1 Die Chapman Chemie 19
3.2 Katalytische Ozonabbauzyklen 20
3.3 Meteorologische Prozesse in der winterlichen polaren Stratosphäre 22
3.4 Die gestörte Chemie der winterlichen polaren Stratosphäre 25
3.5 Ozon im antarktischen und arktischen Polarwirbel 27
4 Methoden zur Messung chemischen Ozonabbaus 35
4.1 Über den Polarwirbel gemitteltes Ozon 35
4.2 Verwendung von inerten Tracern 36
4.2.1 N2O als Tracer für die diabatische Zirkulation 36
4.2.2 Hintergrundaerosol als Tracer für Einmischungsvorgänge in den Wirbel 36
4.2.3 Ozon/Tracer-Korrelation 36
4.3 Kombination von Ozonmessungen mit Transportmodellen 37
5 Match-Kampagnen zur Messung chemischen Ozonabbaus 39
5.1 Geeignete Meßgeräte für Match 40
5.1.1 Funktion der Ozonsonden 42
5.2 Match-Auswertung der Ozonsondendaten des Winters 1991/92 46
5.3 Koordinierte Match-Kampagnen in den Wintern 1994/95 und 1995/96 46
5.4 Koordinierung während der Match-Kampagnen 48
5.4.1 Kampagnenablauf 48
5.4.2 Prozeduren zur Steuerung der Kampagne 49
5.4.2.1 Nahe Echtzeit Trajektorienrechnungen während der Kampagne 52
5.4.2.2 Auswahlkriterien für die Beurteilung von möglichen Match-Ereignissen 53
5.4.3 Beispiel für das Zustandekommen eines Matches 55
5.5 Prozeduren zur Datenauswertung nach der Match-Kampagne 57
5.5.1 Trajektorienrechnungen zur Datenauswertung 58
5.5.1.1 Abdrift der Sonden 58
5.5.1.2 Korrektur Diabatischer Effekte 60
5.5.2 Berechnung der Matche 63
5.5.3 Auswahl der Matche für die Auswertung 65
6 Meteorologie der arktischen Winter 1991/92, 1994/95 und 1995/96 71
6.1 Definition des Polarwirbels 71
6.1.1 pPV als Koordinatensystem im Wirbel 73
6.2 Abschätzung der Bereiche mit PSC-Bedingungen 75
6.3 Abschätzung des diabatischen Absinkens im Wirbel 75
6.4 Berechnung der mittleren Sonnenscheindauer pro Tag im Polarwirbel 76
6.5 Stabilität des Polarwirbels, QBO und Solarzyklus 76
6.6 Die Polarwirbel der drei untersuchten Winter 77
6.6.1 Winter 1991/92 77
6.6.2 Winter 1994/95 80
6.6.3 Winter 1995/96 83
7 Chemische Ozonverluste in den Wintern 1991/92, 1994/95 und 1995/96 89
7.1 Berechnung der Ozonverlustraten während sonnenbeschienener Zeiten 89
7.2 Berechnung von Tagesmitteln der Ozonverlustraten 91
7.3 Der Winter 1991/92 92
7.3.1 Zeitlicher Verlauf der Ozonabbaurate 92
7.3.2 Höhenprofil der Ozonabbaurate 94
7.3.3 PV-Profil der Ozonabbaurate 95
7.3.4 Über den Winter akkumulierter Ozonverlust 96
7.4 Der Winter 1994/95 97
7.4.1 Zeitlicher Verlauf der Ozonabbauraten 97
7.4.2 Höhen/Zeitschnitt der Ozonabbaurate 100
7.4.3 Verlust in der Ozonsäule 104
7.4.4 PV-Profil der Ozonabbaurate 106
7.4.5 Über den Winter akkumulierter Ozonverlust 106
7.5 Der Winter 1995/96 107
7.5.1 Höhen/Zeitschnitt der Ozonabbaurate 107
7.5.2 PV-Profil der Ozonabbaurate 109
7.5.3 Über den Winter akkumulierter Ozonverlust 109
7.6 Tagesgang der Ozonabbaurate 115
8 Diskussion 125
8.1 Diskussion der beobachteten Ozonverluste 125
8.1.1 Diskussion des generellen Verlaufs des gefunden Ozonabbaus anhand der grundlegenden Mechanismen polaren Ozonverlusts 125
8.1.2 Rückschlüsse auf den Grad und den Verlauf der Chloraktivierung 126
8.1.3 Beobachtete Merkmale der Deaktivierungsphase 128
8.1.4 Die chemischen Mechanismen der Deaktivierungsphase 129
8.1.5 Modellstudien 131
8.1.6 Auswirkungen von Denitrifizierung auf den Ozonabbau in der Arktis 135
8.2 Konsequenzen für den arktischen Ozonverlust und Vergleich mit der Antarktis 136
8.3 Bewertung der arktischen Ozonverluste 138
9 Fehlerdiskussion 139
9.1 Statistische Fehler 139
9.2 Systematische Fehler 139
9.2.1 Fehler der diabatischen Erwärmungsraten 139
9.2.2 Überdeckung des Wirbels 142
9.2.3 Mögliche Drift der Trajektorien 145
9.3 Vergleich der Ergebnisse mit anderen Arbeiten 145
Fazit und Ausblick 149
Tabelle der Stationen 150
Literaturverzeichnis 154
Danksagung

More Information:

Online available: http://www.diss.fu-berlin.de/2002/124/indexe.html
Language of PhDThesis: german
Keywords: Ozone Stratosphere Arctic Match
DNB-Sachgruppe: 31 Geowissenschaften
Date of disputation: 04-Sep-1997
PhDThesis from: Fachbereich Geowissenschaften, Freie Universität Berlin
First Referee: Prof. Dr. Karin Labitzke
Second Referee: Dr. habil. Steven Pawson
Contact (Author): mrex@awi-potsdam.de
Contact (Advisor): labitzke@strat01.met.fu-berlin.de
Date created:17-Jul-2002
Date available:23-Oct-2002

 

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