Beruecksichtigung von Lebensdauern von Tracern bei der Bestimmung des stratosphaerischen Luftalters und der Brewer-Dobson-Zirkulation (CoLiBri)

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas von Clarmann (†)
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 232327523

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Intensität der Brewer-Dobson-Circulation wird üblicherweise charakterisiert durch das sogenannte mittlere stratosphärische Luftalter, d.h. durch die Zeit, die ein Luftpaket benötigt, um vom stratosphärischen Eintrittspunkt zu dem Ort zu gelangen, wo es beobachtet wurde. Diese Zeit wird abgeschätzt durch Konzentrationsmessungen langlebiger Spurengase, die einen troposphärischen Trend aufweisen. Besonders geeignet hierfür ist SF6, da es keine stratosphärischen Senken hat. Dennoch gibt es mit dieser Standardmethode Probleme: Zum einen hat SF6 eine mesosphärische Senke, so dass das stratosphärische Luftalter im Fall von Eindringen mesosphärischer Luft zu alt geschätzt wird. Zum anderen unterliegt das beobachtete Luftpaket auf dem Weg vom Eintrittspunkt zum Beobachtungspunkt Mischungsprozessen, die dazu führen, dass das Luftalter nicht klar definiert ist, sondern stattdessen durch ein Altersspektrum charakterisiert werden muss. Unsicherheiten in der Form des Altersspektrums bewirken Unsicherheiten bei der Umrechnung der gemessenen SF6 Mischungsverhältnisse in Luftalter. Um diesen Problemen zu begegnen, wurde eine neue Methode entwickelt, die die Zirkulationsvektoren und Mischungskoeffizienten einer zonal gemittelten Atmosphäre durch die Inversion der Kontinuitätsgleichung direkt aus den an zwei Zeitpunkten gemessenen Dichte- und Spurengasverteilungen ableitet. Wenn die beiden Zeitpunkte hinreichend nahe beieinander liegen, sind Senkenprozesse weitgehend unschädlich, da der bis zum ersten Zeitpunkt geschehene Abbau irrelevant ist. Das lässt das Problem der mesosphärischen Intrusionen und macht den Weg frei zu Verwendung von Spurengasen, die langsamem stratosphärischen Abbau unterliegen. Da die Morphologie der Verteilungen verschiedener solcher Gase (CH4, N2O, CFCs, etc) unterschiedlich ist, steht damit mehr unabhängige Information fär die Lösung des Inversionsproblems zur Verfägung. Ebenso ist das Altersspektrum kein Problem mehr, da Mischungsprozesse vor dem Anfangszeitpunkt irrelevant sind. Im Gegensatz zur Luftaltersmethode erhält man mit der neuen Inversionsmethode zeitlich aufgelöste Information über die stratosphärische Zirkulation. Die Methode wurde auf MIPAS-Spurengasverteilungen angewendet, die in diesem Projekt validiert wurden. Die zweidimensionale Kontinuitätsgleichung wird mit dem MacCormack-Verfahren integriert, um aus den Anfangsdichte- und Mischungsverhältnisverteilungen die Endverteilungen bei gegebenen Anfangsschätzwerten der Geschwindigkeiten und Mischungskoeffizienten zu berechnen. Das Residuum zwischen diesen und den am zweiten Zeitpunkt gemessenen Werten wird minimiert, indem die verallgemeinerte Inverse der Jacobi-Matrix berechnet wird. Letztere beschreibt die Abhängigkeit der Endverteilungen von den Geschwindigkeiten und Mischungsverhältnissen. Die Brauchbarkeit der Methode wurde demonstriert anhand der MIPAS-Spurengasverteilungen für ein Jahr, für das monatliche hohen- und breitenaufgelöste Geschwindigkeiten und Mischungskoeffizienten berechnet wurden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Drift-corrected trends and periodic variations in MIPAS IMK/IAA ozone measurements”, Atmos. Chem. Phys., 14, 2571-2589, 2014
  E. Eckert, T. von Clarmann, M. Kiefer, G. P. Stiller, S. Lossow, N. Glatthor, D. A. Degenstein, L. Froidevaux, S. Godin-Beekmann, T. Leblanc, S. McDermid, M. Pastel, W. Steinbrecht, D. P. J. Swart, K. A. Walker, and P. F. Bernath
  
• “Reassessment of MIPAS age of air trends and variability”, Atmos. Chem. Phys., 15, 13161-13176, 2015
  F. J. Haenel, G. P. Stiller, T. von Clarmann, B. Funke, E. Eckert, N. Glatthor, U. Grabowski, S. Kellmann, M. Kiefer, A. Linden, and T. Reddmann
  
• “Trend analysis of the 20-year time series of stratospheric ozone profiles observed by the GROMOS microwave radiometer at Bern”, Atmos. Chem. Phys., 15, 10999-11009, 2015
  L. Moreira, K. Hocke, E. Eckert, T. von Clarmann, and N. Kämpfer
  
• “Validation of MIPAS IMK/IAA methane profiles”, Atmos. Meas. Tech., 8, 5251-5261, 2015
  A. Laeng, J. Plieninger, T. von Clarmann, U. Grabowski, G. Stiller, E. Eckert, N. Glatthor, F. Haenel, S. Kellmann, M. Kiefer, A. Linden, S. Lossow, L. Deaver, A. Engel, M. Hervig, I. Levin, M. McHugh, S. Noël, G. Toon, and K. Walker
  
• Direct inversion of circulation and mixing from tracer measurements: I. Method, Atmos. Chem. Phys. Discuss.,
  T. von Clarmann and U. Grabowski
  
• “MIPAS IMK/IAA CFC-11 (CCl3 F) and CFC-12 (CCl2 F2 ) measurements: accuracy, precision and long-term stability”, AMT, 9, 3355-3389, 2016
  E. Eckert, A. Laeng, S. Lossow, S. Kellmann, G. Stiller, T. von Clarmann, N.Glatthor, M. Höpfner, M. Kiefer, H.Oelhaf, J.Orphal, B. Funke, U. Grabowski, F. Haenel, A. Linden, G. Wetzel, W.Woiwode, P. F. Bernath, G. S.Dutton, J.W. Elkins, A. Engel, J.C. Gille, F. Kolonjari, G. C. Toon, and K.A. Walker