Luftmassenherkunft in der unteren Stratosphäre: HALO Messungen und CLaMS Simulationen (AMOS)

• Antragstellerin: Dr. Bärbel Vogel
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316738484

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Unser Projekt AMOS zeigt, dass der Transport von Luftmassen aus dem asiatischen Monsunantizyklon in die untere nördliche Stratosphäre ein wichtiger Treiber im Sommer und Herbst ist und durch unterschiedliche Prozesse und Zeitskalen bestimmt wird. Die grundlegenden Transportmechanismen wurden durch Simulationen mit dem chemischen Lagrangeschen Transportmodells (CLaMS) in Kombination mit luftgestützten Messungen mit dem deutschen Forschungsflugzeug HALO (High Altitude and Long Range Forschungsflugzeug) in der nördlichen Hemisphäre sowie mit Ballon Messungen in Asien analysiert. Der Transport von troposphärischen Spurengasen (z.B. H2O, Aerosole und ihren chemischen Vorläufersubstanzen oder ozonabbauenden Substanzen wie kurzlebige halogenhaltige Spurengase) durch den asiatischen Monsunantizyklon in die untere Stratosphäre verändert die chemische Zusammensetzung in diesem Teil der Erdatmosphäre. Desweiteren haben strahlungsaktive Spurengase, die in die untere außertropische Stratosphäre transportiert werden, einen signifikanten Einfluss auf das Oberflächenklima und können einen regionalen Strahlungsantrieb verursachen. In unserem Projekt AMOS zeigen wir, dass kurzlebige anthropogene Substanzen wie PAN, bromhaltige sowie chlorhaltige Spurengase zusätzlich zu langlebigen Substanzen (z.B. CH4, H2O, CO, N2O, SF6) von Quellen in Asien über den asiatische Monsunantizyklon in die nördliche außertropische untere Stratosphäre transportiert werden. Insbesondere die Auswirkungen von chlorhaltigen, sehr kurzlebigen Substanzen, die nicht durch das Montrealer Protokoll (zur Regelung der Herstellung und Verwendung von Stoffen, die zum Abbau des stratosphärischen Ozons führen) und seine Änderungen und Anpassungen geregelt sind, auf die chemische Zusammensetzung der Stratopshäre sind wichtige Beobachtungen. Einerseits wird aufgrund des starken Wachstums der asiatischen Volkswirtschaften mit steigenden anthropogenen Emissionen in der Zukunft gerechnet, andererseits hat die Umsetzung neuer Emissionskontrollmaßnahmen (insbesondere in China) die anthropogenen Emissionen einiger in die untere Stratosphäre transportierter Schadstoffe reduziert. Es muss in Zukunft beobachtet werden, ob der Transport von anthropogenen Emissionen von ozonabbauenden und strahlungsaktiven Substanzen in die untere Stratosphäre weiter zunehmen wird, was sich wahrscheinlich auf das Bodenklima der Erde auswirken wird. Zweitens wird im Projekt AMOS gezeigt, dass neben den asiatischen und amerikanischen Sommermonsunsystemen auch der Transport troposphärischer Luft durch tropische Wirbelstürme (Taifune, Hurrikane) einen Einfluss auf die chemische Zusammensetzung der nördlichen extratropischen unteren Stratosphäre hat. Dieser Transportweg ist insbesondere wichtig für natürliche Emissionen von Meeresoberflächen wie bromhaltige Substanzen, die einen Einfluss auf die Ozonchemie haben. Zusammenfassend trägt das Projekt AMOS zur Identifizeirung der Quellregionen von Schadstoffen an der Erdoberfläche und deren Transportwege zur extratropischen unteren Stratosphäre bei, was wichtig ist für die Entwicklung von Empfehlungen für die Regulierung von anthropogenen Oberflächenemissionen. Das Projekt ist ein wichtiger Beitrag zu zukünftigen Berichten zur Beurteilung der Risiken von Emissionen ozonabbauender und strahlungsaktiver Substanzen in die Atmosphäre, z.B. durch die Welt Meteorologischen Organisation (WMO).

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Water vapor increase in the lower stratosphere of the Northern Hemisphere due to the Asian monsoon anticyclone observed during the TACTS/ESMVal campaigns, Atmos. Chem. Phys., 18, 2973-2983
  Rolf, C., Vogel, B., Hoor, P., Afchine, A., Günther, G., Krämer, M., Müller, R., Müller, S., Spelten, N., and Riese, M.
  
• Lagrangian simulations of the transport of young air masses to the top of the Asian monsoon anticyclone and into the tropical pipe, Atmos. Chem. Phys., 19, 6007-6034
  Vogel, B., Müller, R., Günther, G., Spang, R., Hanumanthu, S., Li, D., Riese, M., and Stiller, G. P.
  
• 3-D tomographic observations of Rossby wave breaking over the Northern Atlantic during the WISE aircraft campaign in 2017, Atmos. Chem. Phys. Discuss., 2020, 1-30
  Krasauskas, L., Ungermann, J., Preusse, P., Friedl-Vallon, F., Zahn, A., Ziereis, H., Rolf, C., Plöger, F., Konopka, P., Vogel, B., and Riese, M.
  
• Airborne in situ measurements of short-lived chlorocarbons and investigation of their pathways from northern hemispheric source regions into the lowermost stratosphere, Dissertation, Universität Wuppertal, 2020
  Valentin Michael Lauther
  
• Strong day-to-day variability of the Asian Tropopause Aerosol Layer (ATAL) in August 2016 at the Himalayan foothills, Atmos. Chem. Phys., 20, 14 273-14 302
  Hanumanthu, S., Vogel, B., Müller, R., Brunamonti, S., Fadnavis, S., Li, D., Ölsner, P., Naja, M., Singh, B. B., Kumar, K. R., Sonbawne, S., Jauhiainen, H., Vömel, H., Luo, B., Jorge, T., Wienhold, F. G., Dirkson, R., and Peter, T.
  
• Examining transport in the Upper Troposphere - Lower Stratosphere with the infrared limb imager GLORIA, Dissertation, Universität Wuppertal, 2021
  Lukas Krasauskas
  
• Organic and inorganic bromine measurements around the extratropical tropopause and lowermost stratosphere: Insights into the transport pathways and total bromine, Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, 2021, 1-53
  Rotermund, M. K., Bense, V., Chipperfield, M. P., Engel, A., Grooß, J.-U., Hoor, P., Hüneke, T., Keber, T., Kluge, F., Schreiner, B., Schuck, T., Vogel, B., Zahn, A., and Pfeilsticker, K.
  
• Pollution trace gases C2 H6 , C2 H2 , HCOOH, and PAN in the North Atlantic UTLS: observations and simulations, Atmos. Chem. Phys., 21, 8213–8232
  Wetzel, G., Friedl-Vallon, F., Glatthor, N., Grooß, J.-U., Gulde, T., Höpfner, M., Johansson, S., Khosrawi, F., Kirner, O., Kleinert, A., Kretschmer, E., Maucher, G., Nordmeyer, H., Oelhaf, H., Orphal, J., Piesch, C., Sinnhuber, B.-M., Ungermann, J., and Vogel, B.
  
• Trajectory Analysis on the Asian Tropopause Aerosol Layer (ATAL) based on Balloon Measurements at the Foothills of the Himalayas, Dissertation, Universität Wuppertal, 2021
  Sreeharsha Hanumanthu