Changes in Stratospheric Circulation: Evidence and Possible Explanations = Änderungen der stratosphärischen Zirkulation: Evidenz und Erklärungsansätze
Creators: name: Eckert, Ellen
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: Brewer-Dobson Zirkulation
Brewer-Dobson Circulation
Ozone Trends
CFCs
CFC-Validation
CCl4
Carbon Tetrachloride
MIPAS Envisat
Atmospheric Remote Sensing
Michelson Interferometer
Inverse Methods

description: Die Brewer-Dobson Zirkulation ist eine großräumige, meridionale Zirkulation in der Atmosphäre, die Luft vom Äquator in höhere Breiten transportiert. Sie beeinflusst so- mit die Verteilung von Spurengasen in der Atmosphäre. Die Konzentrationen diverser Spurengase können mit Messgeräten, wie beispielsweise dem Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS), welches eine Nutzlast des europäischen Satelliten Envisat war, gemessen werden.
Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass sich die räumliche Verteilung des Spurengases Ozon während des MIPAS-Messzeitraums (Juli 2002 bis April 2012) aufgrund von Änderungen in der Brewer-Dobson Zirkulation verändert. Hierbei wur- de eine multivariate Regressionsmethode verwendet, um lineare Variationen (Trends) der Ozonkonzentrationen über den gesamten MIPAS-Messzeitraum zu bestimmen. Bei der Trendbestimmung wurden, neben dem linearen Term, auch die quasi-bienniale Oscillation (QBO), der Jahresgang und die halbjährige Oszillation berücksichtigt, ebenso wie diverse Obertöne dieser Variationen. MIPAS-Messungen setzen sich aus dem “full spectral resolution” Zeitraum (Juli 2002 bis März 2004) und dem “reduced spectral resolution” Zeitraum (Januar 2005 bis April 2012) zusammen. Die komplet- te Fehlerkovarianzmatrix wurde verwendet und der unbekannte Versatz zwischen den Teildatensätzen wurde berücksichtigt, indem ein voll korrelierter Block zum Kovari- anzmatrixteil eines der beiden Zeiträume addiert wurde. In den Tropen zwischen 25 und 35 km wurden negative Ozontrends gefunden, sowie positive Trends direkt ober- halb der tropischen Tropopause und eine generelle hemisphärische Asymmetrie. Diese Strukturen waren so nicht zu erwarten. Sie konnten jedoch mit einer Verschiebung der subtropischen Mischungsbarrieren, welche direkt mit der Brewer-Dobson Zirkulation zusammenhängen, erklärt werden und weisen somit auf Änderungen in der Brewer- Dobson Zirkulation hin.
Mithilfe der Inversion der Kontinuitätsgleichung, welche im Programm zur “Ana- lysis of the Circulation of the Stratosphere using Spectroscopic Measurements” (ANCISTRUS-SPEC) umgesetzt wurde, können Änderungen in der Brewer-Dobson Zirkulation in kleinen zeitlichen Schritten (Monaten) verfolgt werden. Diese Metho- de verwendet Spurengaskonzentrationen aufeinanderfolgender Monate um daraus 2D- Transportgeschwindigkeiten und Mischungskoeffizienten zwischen den jeweiligen Mo- naten zu berechnen. Als Eingabe werden monatlich gemittelte Konzentrationsvertei- lungen langlebiger Spurengase verwendet. Diese können mithilfe von MIPAS bereit- gestellt werden.
Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Bereitstellung entsprechender Daten für das ANCISTRUS-SPEC Programm. Geeignete Spurengase sind CFC-11, CFC-12 und CCl4. Diese Gase haben atmosphärische Lebensdauern von etwa 60, 110 und 44 Jahren. Die bereits existierenden Datenprodukte für CFC-11 und CFC-12 wurden einer umfassenden Validierung unterzogen. Für beide Spurengase wurden gu- te Übereinstimmungen mit den Ergebnissen anderer Instrumente gefunden. Jedoch zeigte sich für CFC-11 unterhalb von 15 km eine leichte Tendenz zu erhöhten Werten. Untersuchungen zu direkt aufeinanderfolgenden Profilen in einer ruhigen Atmosphäre zeigten, dass die Fehlerabschätzung nur für das “full spectral resolution” CFC-12 Pro- dukt als realistisch angesehen werden können. Für das “reduced spectral resolution” CFC-12 Produkt, sowie beide Produkte von CFC-11 werden die Fehler um ein Viertel bis ein Drittel unterschätzt. Während CFC-11 eine sehr gute zeitliche Stabilität auf- weist wurden für CFC-12 oberhalb von 30 km starke Drifts, die von -50 bis +50% pro Dekade reichen, gefunden. Die Daten eignen sich jedoch dennoch für die Verwendung durch das ANCISTRUS-SPEC Programm, da hier kleine Zeitschritte von Monaten betrachtet werden. Für solch kleine Zeitschritte ist die gefundene Drift irrelevant.
Da CCl4 noch nicht auf MIPAS Messungen abgeleitet worden war, wurde eine Retrievalstrategie entwickelt, und globale Verteilungen wurden mithilfe des MIPAS- Datenprozessors am Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Meteorologie und Klimaforschung abgeleitet. Dabei mussten diverse interferierende Spurengase und die Temperatur berücksichtigt werden. Zudem musste der Einsfluss von Line-Mixing auf- grund des CO2 Q-Zweigs bei 792 cm 1 beachtet werden. Die Verwendung eines neuen spektroskopischen Datensatzes für CCl4 führte zu niedrigeren Mischungsverhältnis- sen, welche besser mit der aktuellen Literatur übereinstimmen. Auch Vergleiche mit anderen Messgeräten zeigten sehr gute Übereinstimmungen mit MIPAS Ergebnissen. CCl4 eignet sich somit hervorragend für eine Verwendung im ANCISTRUS-SPEC Programm.
Abschließend wurden die neu bereitgestellten Datenprodukte von CFC-11, CFC-12 und CCl4 als Eingabe für das ANCISTRUS-SPEC Programm verwendet. Die daraus resultierenden Ergebnisse zeigen eindeutig, dass eine Hinzunahme der neu verfügbaren Datenprodukte zu einer signifikanten Reduzierung der Unsicherheiten der abgeleiteten Zirkulationsgeschwindigkeiten führt.