Der solare Zyklus in der mittleren Atmosphäre: Änderungen in der mittleren Zirkulation und den Ausbreitungsbedingungen der planetaren Wellen

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1 Der solare Zyklus in der mittleren Atmosphäre: Änderungen in der mittleren Zirkulation und den Ausbreitungsbedingungen der planetaren Wellen K. Fröhlich, Ch. Jacobi Universität Leipzig, Institut für Meteorologie Zusammenfassung Der Einfluss des 11-jährigen Sonnenfleckenzyklusses auf die mittlere Atmosphäre wurde mit einem mechanistischen Zirkulationsmodell untersucht. Um dies zu erreichen, wurden im Bereich der Strahlungsflussberechnung die prozentual verschieden stark ausfallenden Änderungen des solaren Flusses, die aus früheren Untersuchungen zur Verfügung standen, in den relevanten Banden einbezogen. Zusätzlich wurde ein neuer Ozondatensatz eingesetzt, welcher vom SUNY-SPB (State University New York St. Petersburg University) Chemie- Transport Modell stammt. Die Temperaturdifferenzen zwischen einem solaren Maximum und einem solaren Minimum betragen in der Stratopause bis zu 1,5 Kelvin. Oberhalb 100 km steigt die Differenz auf mehr als 4 Kelvin an, hervorgerufen durch die starke Variation der Absorption durch molekularen Sauerstoff in der Thermosphäre. Die Veränderungen in der Temperaturverteilung verursachen ein Ansteigen des mittleren ostwärts gerichteten Zonalwindes in der Wintermesosphäre und ein Ansteigen des mittleren westwärts gerichteten Zonalwindes im Bereich sommerlichen Mesosphäre und untere Thermosphäre der mittleren Breiten. Es wird untersucht, inwieweit der Anstieg des Windes die Ausbreitungsbedingungen der planetaren Wellen beeinflusst. 1 Modellbeschreibung COMMA-LIM 2.0 (Cologne Model of the Middle Atmosphere Leipzig Institute for Meteorology) ist ein dreidimensionales globales mechanistisches Modell der Atmosphäre mit einer vertikalen Ausdehnung von ca km in logarithmischen Druckkoordinaten, aufgeteilt in 48 Schichten. Die horizontale Auflösung beträgt in der Länge und 5 in der Breite. Die Dynamik wird durch die primitiven nichtlinearen Gleichungen in Flussform auf der Kugel unter Annahme hydrostatischer Balance beschrieben. Eine umfassende Strahlungsroutine beschreibt Absorption und Emission der wichtigsten Gase der mittleren Atmosphäre. Wärmeverluste durch turbulente Mischung, Ionenreibung und molekulare Wärmeleitung sind ebenfalls enthalten. Am Unterrand des Modells können verschiedene planetare Wellen (Rossby-Wellen, Rossby-Schwerewellen, Kelvinwellen) durch die entsprechenden Houghfunktionen die Eigenfunktionen der Lösung der Laplaceschen Gezeitengleichung - angeregt werden. Damit können globale Eigenschaften der mittleren Atmosphäre sowie die Ausbreitung planetarer Wellen nachvollzogen werden. Für eine detailliertere Beschreibung wird der Leser auf FRÖHLICH ET AL. (2003) und LANGE (2001) verwiesen. 2 Simulation des Sonnenfleckenzyklus Die 11-jährige Variation im Strahlungsfluss der Sonne ist stark wellenlängenabhängig. Für die gesamte Einstrahlung liegt die Variation bei 0,1%; die Variation der solaren UV- (ultravioletten) Strahlung unterhalb 300 nm trägt dazu bis zu 14% bei, während ihr Anteil an der solaren Einstrahlung weniger als 1% ausmacht (FLIGGE ET AL., 2001). Diese UV- Strahlung wird in der mittleren Atmosphäre vollständig durch molekularen Sauerstoff und Ozon absorbiert. Für die Umsetzung bei der Berechnung der Erwärmungs- und Abkühlungsraten im Modell wird die Absorption in den jeweiligen Banden um die

2 entsprechenden Beiträge erhöht bzw. verringert, die aus Daten von UARS SOLSTICE (Upper Atmosphere Research Satellite - Solar Stellar Irradiance Comparison Experiment) entnommen wurden (ROTTMAN, 1999). Die verstärkte/verringerte Einstrahlung führt auch zu einer etwa 2% starken Variation in der Ozonproduktion. Diesem Umstand wird durch die Einbindung neuer Ozondaten vom Chemie-Transport-Modell der SUNY-SPB Rechnung getragen, welches Satellitendaten von SAGE-II assimiliert (SMYSHLYAEV und GELLER, 2001). Neben einem klimatologischen Rechnungslauf, welcher die Eigenschaften der Atmosphäre im Juli nur unter Einbindung der stationären Welle mit zonaler Wellenzahl 1 darstellen soll, werden auch zwei numerische Experimente mit der Anregung einer wandernden planetaren Welle mit zonaler Wellenzahl 1 und einer Periode von rund 16 Tagen (16DW 16-Day Wave) und einer wandernden Welle mit zonaler Wellenzahl 3 und einer Periode von 52.5 Stunden (QTDW- Quasi Two-Day Wave) durchgeführt. 3 Ergebnisse Zunächst wird die Temperatur und der mittlere zonale Wind ohne Wellenanregung betrachtet. Abbildung 1 zeigt einen Breiten Höhenschnitt über die gesamte mittlere Atmosphäre, Abbildung 2 die Differenzen Temperatur zwischen solarem Maximum und Minimum. Oberhalb des vom Ozon in der Sommerhemisphäre verursachten Temperaturmaximums findet sich eine Temperaturdifferenz von 1,5 K, die auf eine unterschiedlich starke Ausdehnung der Ozonvorkommen hinweist. In der Mesosphäre schwankt dieser Unterschied zwischen 1 und 2 Kelvin, was gut mit Messergebnissen übereinstimmt (z. B. CHANDRA ET AL., 1996). Abb. 1: Breiten Höhenquerschnitt der zonal gemittelten Temperatur (K) für Juli, berechnet von COMMA-LIM 2.0. Für den zonal gemittelten zonalen Wind und dessen Variation im solaren Zyklus (schattiert dargestellt) in Abbildung 3 ergibt sich ein Unterschied von bis zu +2 m/s in der Wintermesosphäre hoher Breiten, welches eine Verstärkung des dort vorherrschenden Westwindes während des solaren Maximums bedeutet, und von bis zu 3 m/s im unteren Thermosphären - Bereich mit einem Maximum auf der Nordhalbkugel. Hier wird der Westwind im Maximum abgeschwächt. Negative Differenzen im Ostwindjet bedeuten

3 ebenfalls einen, wenn auch schwach, stärkeren Wind bei erhöhter Sonnenstrahlung. In beiden Abbildungen nehmen die Differenzen mit der Höhe zu, was aus der starken Änderung im fernen UV-Bereich herrührt, in welchem vor allem molekularer Sauerstoff in dieser Höhe absorbiert. Die Variation beträgt z.b. im Schumann Runge Kontinuum (also bei nm) rund 13%. Die Werte der Schwankungen im mittleren Zonalwind liegen jedoch unterhalb beobachteten Werten von bis zu 10 m/s. Andere Modellberechnungen liefern hierfür ebenfalls unterschiedliche Angaben von ±3m/s bis ±13 m/s (z. B. ARNOLD UND ROBINSON, 1998 oder KODERA ET AL., 2003). Ein Grund für die nicht übereinstimmenden Werte könnte in der Anregung wandernder planetarer Wellen liegen, die unterschiedlich berücksichtigt wurden. Bei ihrer vertikalen Ausbreitung treten diese Wellen in eine nichtlineare Wechselbeziehung mit dem mittleren Grundstrom und übertragen Energie und Impuls auf ihn. Abb. 2: Differenzen der zonal gemittelten Temperatur zwischen solarem Maximum und Minimum. Die Abbildungen 4 und 5 zeigen die Amplituden der 16DW und der QTDW im Temperaturfeld, schattiert dargestellt sind die Temperaturdifferenzen zwischen solarem Maximum und Minimum. Obwohl die absoluten Differenzwerte eine Größenordnung kleiner als die der auftretenden Amplituden sind, erkennt man, dass die Wellenausbreitung im solaren Minimum für beide Wellen stärker ist. Dabei treten starke Unterschiede dort auf, wo die Wellen in ihrer Vertikalausbreitung gedämpft werden: bei der 16DW in der Sommerhemisphäre und bei der QTDW in der Winterhemisphäre. Die 16DW zeigt in der polaren Wintermesopausenregion (zwischen 80 und 90 km) während des solaren Maximums eine größere Amplitude. Dieses Maximum korrespondiert mit einem Maximum in der Differenzen-Abbildung der Juli-Klimatologie (Abbildung 2), welches allerdings nicht durch Strahlung (Polarnacht) sondern durch Transportprozesse zustande kommt. Insgesamt bleibt jedoch festzuhalten, dass die Differenzen des 11-jährigen solaren Zyklus der Amplituden gering sind und somit wandernde Wellen nur eine schwache Wirkung auf die allgemeine Zirkulation haben. Es wird hier darauf hingewiesen, dass die Untersuchungen ohne die Berücksichtigung der quasi-zweijährigen Schwingung durchgeführt wurden, die einen verstärkenden Effekt auf die Änderungen in der allgemeinen Zirkulation und damit auf die Bedingungen für die Wellenausbreitung haben (z. B. LABITZKE, 2001).

4 Abb. 3: Breiten Höhenquerschnitt des zonal gemittelten Zonalwindes (m/s) für Juli, berechnet von COMMA-LIM 2.0. Schattiert die Differenzen zwischen solarem Maximum und Minimum. Abb. 4: Amplitude der 16 - Tage Welle im Temperaturfeld (K). Schattiert die Differenzen zwischen solarem Maximum und Minimum. 4 Schlussfolgerungen Die Simulation des 11-jährigen solaren Zyklus mit dem COMMA - LIM 2.0 zeigt im Temperaturfeld eine Variation bis zu 2 Kelvin in der mittleren Atmosphäre. Dieses Resultat ist konsistent mit Beobachtungen. Die Werte der Schwankungen im mittleren Zonalwind liegen jedoch unterhalb beobachteten Werten von bis zu 13 m/s. Modellberechnungen liefern hierfür ebenfalls unterschiedliche Angaben. Eine Begründung für diese Differenzen könnte in der unterschiedlich starken Wellenaktivität in den Modellen liegen, die umgekehrt wieder die mittlere Zirkulation beeinflusst. COMMA LIM 2.0 zeigt aber keine signifikanten Einflüsse

5 der planetaren Wellen auf Wind- und Temperaturfeld im solaren Zyklus. Diese heterogenen Resultate verweisen auf weiteren Forschungsbedarf sowohl, was die Statistik der Zyklen angeht als auch im Bereich der Modellierung. Abb. 5: Amplitude der quasi Zwei - Tage Welle im Temperaturfeld (K). Schattiert die Differenzen zwischen solarem Maximum und Minimum. Danksagung Diese Arbeit wurde unterstützt durch das BMBF unter der Auftragsnummer 07ATF10. Besonderer Dank gilt außerdem der COMMA Gruppe für die Überlassung der Basis-Version des Modells und Unterstützung und S. Smyshlyaev für die Bereitstellung der Ozondaten. Literatur ARNOLD, N.F., T.R. ROBINSON, 1998: Solar cycle changes to planetary wave propagation and their influence on the middle circulation. Ann.Geophys., 16, CHANDRA, S., L. FROIDEVAUX, J.W. WATERS, O.R. WHITE, G.J. ROTTMAN, D.K. PRINZ, G.E. BRUECKNER, 1996: Ozone variability in the upper stratosphere during the declining phase of the solar cycle 22. Geophys. Res. Lett., 23, No. 21, FRÖHLICH, K., A.I. POGORELTSEV, CH. JACOBI, 2003: The 48 layer Version COMMA-LIM Model: Model description, new Aspects, and Climatology. Wiss. Mitt. d. Instituts f. Meteorologie Leipzig, 30, KODERA, K., K. MATTHES, K. SHIBATA, U. LANGEMATZ, Y. KURODA, 2003: Solar impact on the lower mesospheric subtropical jet: A comparative study with general circulation model simulations. - Geophys. Res. Lett., 30, No. 21, LABITZKE, K., 2001: The global signal of the 11-year sunspot cycle in the stratosphere: Differences between solar maxima and minima. Meteorol. Z., 10, LANGE, M., 2001: Modellstudien zum CO2-Anstieg und O3-Abbau in der mittleren Atmosphäre und Einfluss des Polarwirbels auf die zonale Symmetrie des Windfeldes in der Mesopausenregion. - Wiss. Mitt. d. Instituts f. Meteorologie Leipzig, 25, 121 S.. ROTTMAN, G., 1999: Solar ultraviolett irradiance and ist temporal variation. - J. Atmos. Solar- Terr. Phys., 61, SMYSHLYAEV, S.P., M.A. GELLER, 2001: Analysis of SAGE II observations using data assimilation by the SUNY-SPB two dimensional model and comparison to TOMS data. J. Geophys. Res., 106, D23,

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