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FU Berlin
Digitale Dissertation

Kirstin Krüger :
Untersuchung von Transportprozessen in der Stratosphäre: Simulationen mit einem globalen Zirkulationsmodell
Investigation of transport processes in the stratosphere: simulations with a general circulation model

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|Zusammenfassung| |Inhaltsverzeichnis| |Ergänzende Angaben|

Zusammenfassung

Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist es Transportprozesse in der winterlichen Stratosphäre
mit Hilfe eines globalen Zirkulationsmodells zu untersuchen. Dafür wurde die horizontale Auflösung
im Berliner Zirkulationsmodell erhöht und mit der nunmehr doppelt so hohen Auflösung (T42) eine
Untersuchung von spezifischen Transportphänomenen und -prozessen durchgeführt.

Ein neues Ergebnis der vorliegenden Arbeit stellt dabei die Einteilung spezifischer Transportphänomene
in Tropische Streamer, Polarwirbel Streamer und Cat Eyes dar, die auf ihre charakteristischen
Merkmale in einem ausgesuchten Winter des Berliner Modells untersucht und anhand von
Beobachtungsdaten validiert wurden. Dabei stellte sich heraus, dass Streamer nicht zu
verwechseln sind mit Filamenten-Laminae.

Um den Einfluss dynamischer Prozesse an dem beobachteten negativen Ozontrend in den mittleren
Breiten zu untersuchen wurde eine globale Streamer-Klimatologie (für 10 Jahre) für den Zeitraum
Oktober bis Mai mit dem T42-Modell durchgeführt. Bisherige Klimatologien von Transportstrukturen
konzentrierten sich auf Filament-Laminae Beobachtungen. Für die Identifizierung von Streamern
wurde die Methode der zonalen Anomalie gewählt, die im Vergleich zu anderen Methoden das
beste Ergebnis erbrachte. Die Streamer-Klimatologie der Stratosphäre wurde erstmalig in eine
Untersuchung der Phänomene Tropische-Subtropische und Polarwirbel Streamer unterteilt. Die
Analyse der Monate Oktober bis Mai ergab ein maximales Auftreten von Tropischen Streamern im
Winter und Frühjahr in der mittleren bis oberen Stratosphäre. Im langjährigen Mittel treten die
höchsten Frequenzen in den Subtropen der Nordhemisphäre auf, die maximal über dem Atlantik
und Ostasien werden. Tropische Streamer haben dabei eine ca. vierfach höhere Frequenz als
Polarwirbel Streamer. Interessant für die Ozonabnahme in der Stratosphäre ist vor allem die
Betrachtung der unteren Stratosphäre, die den stärksten Ozonabbau in den hohen Breiten aufweist.
Hierfür wurden die Streamer-Klimatologien des T42-Modells einerseits und die Beobachtungen
der 1990er Jahre andererseits verglichen. Der größte Unterschied zwischen den Klimatologien
wurde dabei durch die Art der Methode zur Identifizierung von (Tropischen) Streamern verursacht.
So wurde eine den Beobachtungen vergleichbare räumliche Streamerhäufigkeit im T42-Modell
simuliert, wenn eine ähnliche Methode zur Identifizierung der Streamer verwendet wurde.

Mit dem Berliner Zirkulationsmodell (T42-Auflösung) kann ein Teil des beobachteten negativen
Ozontrends in den mittleren Breiten durch dynamische Prozesse erklärt werden. Das Phänomen
von Streamern spielt dabei eine nicht zu vernachlässigende Rolle.

Inhaltsverzeichnis

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Titel -
Inhaltsverzeichnis I-IV
1 Einleitung 1
1.1 Motivation 1
1.2 Stand der Forschung 2
1.3 Ziel und Aufbau der Arbeit 3
2 Transportprozesse in der Stratosphäre 5
2.1 Die globale Meridionalzirkulation 6
2.2 Der stratosphärische Polarwirbel 12
2.3 Stratosphären-Troposphären-Austausch 14
2.4 Die Transportbarrieren 16
2.5 Spezifische Transportprozesse in der Stratosphäre 17
2.5.1 Tropische-Subtropische Streamer 17
2.5.2 Polarwirbel Streamer 24
2.5.3 Cat Eyes - Zerbrechen der Streamer 25
2.5.4 Variabilität von Transportprozessen 26
2.5.5 Zusammenfassung 26
3 Das Berliner Klimamodell 29
3.1 Horizontale Auflösung 32
3.1.1 Horizontale Diffusion 32
3.1.2 Topographie 33
3.2 Transport von Spurengasen 34
3.2.1 Das semi-Lagrange'sche Advektionsschema 34
3.2.2 Modifizierungen 36
3.2.3 Der passive idealisierte Tracer 37
3.3 Modellsimulationen 37
4 Modellklimatologie 41
4.1 Temperatur 41
4.2 Wind 44
4.2.1 Theorie 44
4.2.2 Modell 45
4.3 Zwischenjährliche Variabilität 49
4.3.1 Nordpoltemperatur 50
4.3.2 Zonaler Wind 52
4.4 Stratosphärischer Polarwirbel 55
4.4.1 Potentielle Vorticity 57
4.4.2 Planetarische Wellen 59
4.5 Die TEM Zirkulation 61
4.5.1 Theorie 61
4.5.2 Modell 64
4.6 Zusammenfassung 68
5 Transportfallstudien im Modell: Einfluss der horizontalen Auflösung 69
5.1 Major Midwinter Warmings 70
5.1.1 Welle 2 Erwärmung im T21-Modell 70
5.1.2 Welle 1 Erwärmung im T42-Modell 75
5.1.3 Vergleich mit Beobachtungen 80
5.2 Typisch kalter, ungestörter Winter 85
5.2.1 Vergleich T21 und T42 86
5.3 Zusammenfassung 88
6 Spezifische Transportprozesse im T42-Modell 89
6.1 Tropische-Subtropische Streamer 90
6.1.1 Atlantik-Streamer 90
6.1.2 Asien-Streamer 92
6.2 Polarwirbel Streamer 95
6.2.1 Extrusionen 95
6.2.2 Intrusionen 96
6.2.3 Vergleich Tracer und PV 96
6.3 Cat Eyes - Zerbrechen der Streamer 100
6.4 Prozessstudien 102
6.5 Zusammenfassung 109
7 Globale Streamerklimatologie im T42-Modell 111
7.1 Streamer-Kriterium 112
7.1.1 Methode 112
7.1.2 Fallbeispiel 113
7.2 Charakteristika von Streamern 116
7.2.1 Vertikale Abhängigkeit 116
7.2.2 Saisonale Abhängigkeit 119
7.3 Zwischenjährliche Variabilität von Streamern 121
7.4 Streamer-Klimatologie 124
7.4.1 Die mittlere Stratosphäre 124
7.5 Vergleich von Beobachtungen und T42-Modell 128
7.5.1 Streamer-Klimatologie der Winter 1990-98 128
7.6 Diskussion der Ergebnisse 136
7.7 Zusammenfassung 136
8 Zusammenfassung 139
Literaturverzeichnis 143
Variablenverzeichnis 155
Abkürzungen 157
Danksagung 159

Ergänzende Angaben:

Online-Adresse: http://www.diss.fu-berlin.de/2002/247/index.html
Sprache: Deutsch
Keywords: streamer, streamer-climatology, transport processes, stratosphere, GCM-study
DNB-Sachgruppe: 31 Geowissenschaften
Datum der Disputation: 03-Jul-2002
Entstanden am: Fachbereich Geowissenschaften, Freie Universität Berlin
Erster Gutachter: Prof. Dr. Karin Labitzke
Zweiter Gutachter: Prof. Dr. Martin Claußen
Kontakt (Verfasser): krueger@strat01.met.fu-berlin.de
Kontakt (Betreuer): labitzke@strat01.met.fu-berlin.de
Abgabedatum:19-Nov-2002
Freigabedatum:20-Nov-2002

 

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