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«Dissertation der Fakultät für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität München vorgelegt von Günther Zängl aus München München, den ...»

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Die Tropopause in den Polargebieten

Dissertation der Fakultät für Physik

der

Ludwig-Maximilians-Universität München

vorgelegt von Günther Zängl

aus München

München, den 15.11.1999

1. Gutachter: Prof. J. Egger

2. Gutachter: Priv.Doz. V. Wirth

Tag der mündlichen Prüfung: 28.01.2000

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung iii

Abstract

iv 1 Einleitung 1 2 Uberblick 5

2.1 Die globale Zirkulation in der Stratosphare.................... 5 2.1.1 Theoretische Grundlagen der stratospharischen Meridionalzirkulation. 6 2.1.2 Quantitative Abschatzungen........................ 8 2.1.3 Die Bedeutung der stratospharischen Zirkulation............. 11

2.2 Die Tropopause: De nitionen, Klimatologien und theoretische Arbeiten.... 15 2.2.1 Tropopausende nitionen........................... 15 2.2.2 Klimatologische Arbeiten zur Tropopause................. 18 2.2.3 Theoretische Arbeiten zur Tropopause................... 20

2.3 Stratospharen-Tropospharen-Austausch...................... 22 2.3.1 Austauschprozesse.............................. 22 2.3.2 Quantitative Abschatzungen........................ 24

2.4 Plotzliche Stratospharenerwarmungen....................... 25 3 Datenauswertung und Ergebnisse 28

3.1 Datensatze und Auswerteverfahren......................... 28 3.1.1 ERA-Daten.................................. 29 3.1.2 Radiosondendaten.............................. 33 3.1.3 Reprasentativitat der Radiosondendaten.................. 36 3.1.4 Vergleich der Datensatze........................... 39

3.2 Der mittlere Zustand der polaren Tropopause................... 44 3.2.1 Uberblick uber die PV-Tropopause in den Polargebieten......... 45 3.2.2 Vergleich zur thermischen Tropopause................... 61 3.2.3 Charakteristika des Jahresgangs der Tropopause............. 71

–  –  –

Zusammenfassung Diese Dissertation widmet sich der Untersuchung der polaren Tropopause. Die wesentlichen Bestandteile der Arbeit sind eine umfangreiche Datenanalyse und Simulationen mit einem Strahlungs-Konvektions-Modell. Damit wird zunachst eine detaillierte Klimatologie der polaren Tropopause erstellt, die deutlich uber die bisherigen Arbeiten auf diesem Gebiet hinausgeht.

Besonderer Wert wird dabei auf den Jahresgang der Tropopause gelegt, und auch die Temperatur und die Scharfe der Tropopause werden berucksichtigt. Parallel dazu wird ein Vergleich zwischen dem thermischen Tropopausenkriterium und dem PV-Kriterium vorgenommen, wobei auch eine Bewertung der Eignung dieser Kriterien versucht wird. Anschlie end wird der Ein u synoptischskaliger Storungen naher untersucht, wobei die schon seit langerem bekannte Tatsache, da die Tropopause unter zyklonalem Ein u absinkt und unter antizyklonalem Ein u ansteigt, quanti ziert und mit idealisierten PV-Inversionen verglichen wird. Die Simulationen mit dem Strahlungs-Konvektions-Modell dienen primar dazu, die mit der stratospharischen Meridionalzirkulation verbundenen dynamischen Heizraten und deren Ein u auf die polare Tropopause zu untersuchen.

Die Klimatologie zeigt, da sich der Jahresgang des Tropopausendrucks in den Polargebieten im wesentlichen durch drei verschiedene Muster charakterisieren la t. Diese sind ein einfacher Jahresgang mit einem Maximum des Tropopausendrucks im Winter und einem Minimum im Sommer, ein doppelter Jahresgang mit Maxima im Fruhling und Herbst und Minima im Sommer und Winter sowie ein einfacher Jahresgang mit einem Tropopausendruckmaximum im Sommer und einem Minimum im Winter. Das erste dieser Muster ist typisch fur die Regionen des Nordpolargebietes, die au erhalb des winterlichen Polarwirbels liegen, das zweite fur den Rest des Nordpolargebietes und das dritte fur das Sudpolargebiet. Eine nahere Analyse ergibt, da diese Jahresgange einen engen Zusammenhang mit der Temperaturdi erenz zwischen der mittleren Troposphare und der unteren Stratosphare aufweisen. Eine gro e Temperaturdi erenz, die gleichbedeutend mit einer geringen mittleren Stabilitat ist, ist dabei mit einem niedrigen Tropopausendruck bzw. mit einer hochliegenden Tropopause verbunden. Beim Vergleich der beiden Tropopausenkriterien zeigt sich, da au er im Winter nur geringe Unterschiede auftreten. Im Winter treten hingegen vor allem in der Antarktis recht gro e Di erenzen auf, wobei die thermische Tropopause hoher als die PV-Tropopause liegt. Es werden Argumente dafur angefuhrt, da das PV-Kriterium in diesem Fall vorzuziehen ist.

Die Simulationen mit dem Strahlungs-Konvektions-Modell deuten darauf hin, da die dynamischen Heizraten, die mit der stratospharischen Zirkulation verbunden sind, gro e regionale und jahreszeitliche Unterschiede aufweisen. Im Nordpolargebiet sind die Heizraten im Sommer nahezu Null, im Winter erreichen sie in der unteren Stratosphare (100 hPa-Niveau) allerdings Werte zwischen 0,3 und 0,8 K/Tag. Die hochsten Werte treten dabei in den Regionen auf, die au erhalb des Polarwirbels liegen. Im Sudpolargebiet liegen die Heizraten das ganze Jahr uber zwischen 0,1 und 0,4 K/Tag und sind damit im Winter deutlich geringer als im Nordpolargebiet. Dies steht in Einklang mit der Beobachtung, da der Sudpolarwirbel erheblich kalter und starker ist als der Nordpolarwirbel. Sensitivitatstests zeigen, da die stratospharische Heizung entscheidenden Ein u auf die polare Tropopause und deren Jahresgang hat.





iv Abstract This dissertation investigates the tropopause in the polar regions. This is mainly accomplished by data analysis and simulations with a radiative-convective model. First, a detailed climatology of the polar tropopause is compiled which is more comprehensive than former climatologies.

Special emphasis is put on the seasonal cycle of the tropopause. The temperature and the sharpness of the tropopause are also taken into account. In addition, a comparison of the thermal tropopause criterion and the PV-criterion is provided, and the suitability of the two criteria for the polar regions is assessed. Next, the in uence of synoptic scale disturbances on the tropopause is considered. The well-known fact that the tropopause height is lower under cyclonic in uence than under anticyclonic in uence is studied quantitatively and compared with idealized PV-inversions. The simulations with the radiative-convective model mainly serve to investigate the dynamical heating rates in connection with the stratospheric meridional circulation and their in uence on the polar tropopause.

The climatology reveals that the seasonal cycle of the tropopause pressure in the polar regions can be classi ed into three di erent patterns. These are a single cycle with a pressure maximum in winter and a minimum in summer, a double cycle with maxima in spring and autumn and minima in summer and winter, and a single cycle with a pressure maximum in summer and a minimum in winter. The rst of these patterns is typical for those parts of the north polar region which lie outside the wintertime polar vortex, the second one is typical for the remaining parts of the Arctic and the third one for Antarctica. A closer analysis shows that these annual cycles are closely related to the temperature di erence between the middle troposphere and the lower stratosphere. A large temperature di erence, which corresponds to low mean static stability, is connected with a low tropopause pressure or a high tropopause.

The comparison of the two tropopause criteria mentioned above shows little di erences except in winter. Especially in Antarctic winter, however, large di erences occur, with the thermal tropopause being located higher than the PV-tropopause. It is argued that the PV-criterion is superior to the thermal criterion in this situation.

The simulations with the radiative-convective model suggest that the dynamical heating rates associated with the stratospheric circulation show large spatial and seasonal di erences.

In the north polar region, heating rates are close to zero in summer, while reaching 0.3 K/day at the 100 hPa-level in winter. The highest values occur outside the polar vortex.

In the south polar region, heating rates vary between 0.1 and 0.4 K/day throughout the year.

Therefore, dynamical heating is clearly weaker in Antarctic winter than in Arctic winter, which is consistent with the fact that the Antarctic polar vortex is much colder and stronger than the Arctic one. Sensitivity tests suggest that the dynamical heating in the polar stratosphere has a crucial in uence on the tropopause and its seasonal cycle.

Kapitel 1 Einleitung Die Atmosphare der Erde wird allgemein in verschiedene Schichten eingeteilt, namlich in die Troposphare, die Stratosphare, die Mesosphare und die Thermosphare. Die Charakterisierung dieser Schichten erfolgt meist anhand der Unterschiede in der statischen Stabilitat. Die Troposphare, die unterste der Schichten, weist oberhalb der Grenzschicht im allgemeinen eine recht geringe Stabilitat auf. Der mittlere vertikale Temperaturgradient betragt dort ungefahr ;6,5 K km;1. Infolge konvektiver Umlagerungen und barokliner Wirbel ist die Troposphare relativ gut durchmischt, wobei die Konvektion vor allem in den Tropen eine gro e Bedeutung fur die vertikale Durchmischung hat, wahrend in mittleren und polaren Breiten die baroklinen Wirbel wichtiger sind. In den Polargebieten reicht die Troposphare im Mittel bis etwa 8 km, in den Mittelbreiten bis etwa 11 km und in den Tropen bis zu 17 km Hohe. Uber der Troposphare folgt die Stratosphare, die sich durch eine erheblich stabilere Schichtung auszeichnet.

In ihr nimmt die Temperatur mit der Hohe deutlich zu, nur die untere Stratosphare ist mitunter naherungsweise isotherm geschichtet. Als Folge der hoheren Stabilitat laufen vertikale Umlagerungsprozesse in der Stratosphare erheblich langsamer ab als in der Troposphare. In der Mesosphare, die in rund 50 km Hohe beginnt, nimmt die Temperatur dann erneut ab, und zwar bis etwa 85 km Hohe im Sommer und bis etwa 100 km Hohe im Winter. Daruber, in der Thermosphare, steigt die Temperatur wieder an und erreicht rasch einige hundert Grad Celsius.

Die Grenze zwischen der Troposphare und der Stratosphare hei t Tropopause. Da der Ubergang zwischen der geringen Stabilitat in der Troposphare und der hohen Stabilitat in der Stratosphare hau g recht abrupt erfolgt, ist die De nition einer derartigen Grenz ache im Prinzip sinnvoll es gibt aber durchaus auch Falle, in denen man eher von einer Ubergangszone sprechen sollte. Die alteste und am weitesten verbreitete De nition der Tropopause (WMO, 1957) benutzt den vertikalen Temperaturgradienten zur Abgrenzung der Troposphare von der Stratosphare. Die Tropopause ist danach als das unterste Niveau de niert, ab dem der vertikale Temperaturgradient gro er als ;2 K km;1 ist, vorausgesetzt, da auch der mittlere Gradient zwischen diesem Niveau und allen Niveaus innerhalb der daruberliegenden 2 km gro er als ;2 K km;1 bleibt. Eine alternative Tropopausende nition, die in den letzten beiden Jahrzehnten zunehmende Verbreitung gefunden hat, sieht die Tropopause als Flache konstanter potentieller Vorticity (PV) (Hoskins et al., 1985). Auch hierfur ist von der WMO ein Grenzwert festgelegt (WMO, 1986), namlich 1,6 PVU (1 PVU = 10;6 m2 s;1 K kg;1 ) in neueren Arbeiten wird aber meist ein hoherer Grenzwert verwendet. Fur die PV-De nition spricht, da 2 KAPITEL 1. EINLEITUNG die potentielle Vorticity bei adiabatischen, reibungsfreien Bewegungen eine materiell erhaltene Gro e ist (z. B. Hoskins et al., 1985), was fur den vertikalen Temperaturgradienten nicht gilt.

Daher konnen Luftmassen auch nach gro eren vertikalen und/oder meridionalen Auslenkungen durch ihren Wert der PV identi ziert werden, solange keine starken diabatischen Prozesse auf die Luftmasse eingewirkt haben. Bedeutsam ist dies vor allem in kraftigen Hohenzyklonen (cut-o lows) und Tropopausenfalten: Wahrend sich anhand der PV stratospharische Luft gut von tropospharischer Luft unterscheiden la t, ist die thermische Tropopause in derartigen Stromungsformen meist nicht eindeutig de nierbar. Ein Nachteil der PV-De nition der Tropopause ist, da sie nur au erhalb der Tropen anwendbar ist, da die planetare Vorticity, die in die PV eingeht, am Aquator ihr Vorzeichen wechselt. Das hat zur Folge, da bei globalen Tropopausenstatistiken (z. B. Hoinka, 1998) in den Subtropen ein Ubergang von der thermischen auf die PV-De nition erfolgen mu, falls letztere au erhalb der Tropen verwendet werden soll. Au erdem kann die PV-Tropopause nicht aus einzelnen Radiosondenaufstiegen ermittelt werden, da dazu das Vorticityfeld bekannt sein mu.

Die gro e Bedeutung der Tropopause liegt darin, da sich an ihr nicht nur die Stabilitat der Atmosphare bzw. die potentielle Vorticity markant andern, sondern auch andere wichtige atmospharische Eigenschaften, wie z. B. die Konzentration zahlreicher Spurengase. Dabei hangt es von der Verteilung der Quellen und Senken des jeweiligen Gases ab, ob die Konzentration in der Troposphare oder in der Stratosphare hoher ist. Beispielsweise liegt die wesentliche Quelle des Ozons in der mittleren Stratosphare, wo es durch eine Reaktion von atomarem und molekularem Sauersto entsteht. Die Ozonkonzentration be ndet sich dabei in Hohen uber 30 km im photochemischen Gleichgewicht mit diversen Abbaureaktionen (u. a. Photolyse und Rekombination mit atomarem Sauersto ), unterhalb davon wird sie jedoch auch durch Vertikalbewegungen beein u t, da die photochemische Einstellzeit mit abnehmender Hohe rasch zunimmt. In der freien Troposphare ist die Lebensdauer des Ozons gro gegen die Zeitskala fur die vertikale Durchmischung (einige Tage), und am Boden be ndet sich die wichtigste Senke des Ozons. Als Folge davon ndet man in der freien Troposphare ein naherungsweise konstantes Ozonmischungsverhaltnis, das deutlich niedriger als in der Stratosphare ist. Typischerweise betragt der Unterschied zwischen der Troposphare und der mittleren Stratosphare rund zwei Gro enordnungen, wobei ab der Tropopause eine rapide Zunahme des Ozonmischungsverhaltnisses zu beobachten ist.



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