Simulierte Luftströmungsmuster

Die Wechselwirkungen zwischen der stratosphärischen Ozonchemie und der atmosphärischen Strömung führen zu deutlichen Änderungen von Luftströmungsmustern vom Erdboden bis in die Stratosphäre. Dies ist das Ergebnis von Klimasimulationen, die in der Zeitschrift „Geophysical Research Letters“ veröffentlicht wurden.

Wissenschaftler der Forschungsstelle Potsdam des Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft haben damit einen fundamentalen Prozess für die Klimazusammenhänge in der Arktis untersucht. Bislang ist unklar, wie die natürlichen Schwankungen in den atmosphärischen Strömungsmustern entstehen, die eine große Rolle für die Klimaänderungen in den letzten Jahrzehnten spielen. Dieses Grundlagenwissen ist notwendig, um die noch mit vielen Unsicherheiten behafteten Klimamodelle zu verbessern.

Die atmosphärische Strömung folgt bevorzugten Mustern, wobei das wichtigste Muster für die Nordhalbkugel die Arktische Oszillation ist. Dabei handelt es sich um eine großräumige Schwingung der Atmosphäre, die durch entgegengesetzte Luftdruckanomalien in der zentralen Arktis und in Teilen der mittleren und subtropischen Breiten gekennzeichnet ist und sich in Jahrzehnte dauernden Schwingungen mal stärker und mal schwächer ausprägt. In der positiven Phase, die seit etwa 1970 vorherrscht, ist der winterliche Polarwirbel sehr stabil und der Austausch von Luftmassen zwischen mittleren und hohen Breiten ist eingeschränkt. In den mittleren Breiten treiben starke Westwinde im Winter warme Atlantikluft nach Nord- und Mitteleuropa und Sibirien. In der negativen Phase der Arktischen Oszillation kann die kalte Polarluft weiter nach Süden vordringen und beschert Europa strenge Winter.

Abb.: Die neue Simulation des Modells mit interaktiver stratosphärischer Ozonchemie zeigt einen anderen Luftdruck auf Meeresniveau als die Simulation des Standardmodells. Dargestellt ist dieDifferenz. (Simulation: S. Brand / AWI)

Bislang werden in komplexen, globalen, gekoppelten Atmosphären-Ozean-Klimamodellen die gegenseitigen Wechselwirkungen zwischen chemischen Prozessen in der Stratosphäre und der Zirkulation in der Tropo- und Stratosphäre (0 bis 10 Kilometer Höhe bzw. 10 bis circa 50 Kilometer Höhe) nicht berücksichtigt. Die Wissenschaftler des Alfred-Wegener-Institutes haben nun erstmals in ein Atmosphären-Ozean-Klimamodell ein Modul der stratosphärischen Ozonchemie eingefügt. Durch einen Vergleich von Simulationen des Standardmodells und des um die Ozonchemie ergänzten neuen Modells konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die Ozonchemie einen deutlichen Einfluss auf die Arktische Oszillation hat. Änderungen der atmosphärischen Strömung und der Temperaturverteilung führen zu einer Verstärkung der winterlichen negativen Phase der Arktischen Oszillation.

„Unsere Untersuchungen leisten einen entscheidenden Beitrag zur Reduzierung der Unsicherheiten bei der Simulation des gegenwärtigen Klimas. Die heutigen Klimamodelle sind, anders als oft behauptet wird, noch mit zahlreichen Unsicherheiten behaftet. Erst wenn wir die grundlegenden Prozesse in der Arktis verstehen, können wir diese Fehler quantifizieren und ausmerzen“, sagte Sascha Brand, Hauptautor der vorgestellten Studie des Alfred-Wegener-Instituts. Die Ergebnisse lassen erwarten, dass die Berücksichtigung der Wechselwirkung zwischen atmosphärischer Strömung und stratosphärischer Ozonchemie sich auch in Simulationen der zukünftigen Klimaentwicklung auf die Stabilität des Polarwirbels auswirkt und deshalb unbedingt in Klimamodelle einbezogen werden muss. In einem Folgeprojekt soll das neue Modell für Berechnungen der zukünftigen Klimaentwicklung eingesetzt werden.

Quelle: AWI

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Brand, S., K. Dethloff und D. Handorf, Tropospheric circulation sensitivity to an interactive stratospheric ozone, Geophys. Res. Lett. 35, L05809 (2008).
  http://dx.doi.org/10.1029/2007GL032312
• Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI):
  http://www.awi.de