Klimawandel in der Stratosphre Wann regeneriert sich die

Klimawandel in der Stratosphäre: Wann regeneriert sich die Ozonschicht? Institutstag IPA 2006 Frankfurt, 21. Januar 2010 28. 03. 2006 Martin Dameris Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Physik der Atmosphäre, Oberpfaffenhofen

Klimawandel in der Stratosphäre: Wann regeneriert sich die Ozonschicht? Martin Dameris Institutstag IPA 2006 Frankfurt, 21. Januar 2010 28. 03. 2006 mit wesentlichen Beiträgen von Hella Garny und Rudolf Deckert

Science, Juni, 2007 Institut für Physik der Atmosphäre

Nature, Januar, 2008 Institut für Physik der Atmosphäre

Kopplung von Stratosphäre und Troposphäre Prozesse des Klimawandels beeinflussen die thermische und dynamische Struktur der Troposphäre (0 -15 km) und Stratosphäre (bis 50 km). Die Troposphäre und die Stratosphäre sind in vielfältiger Weise miteinander gekoppelt. ü Die dynamische Kopplung ist in erster Linie durch die Dynamik großskaliger (planetare und synoptische) Wellen gegeben, die in der Troposphäre angeregt werden. ü Die saisonale und die Jahr-zu-Jahr Variabilität in der Erzeugung, Ausbreitung und Dissipation dieser Wellen sowie alle systematischen Veränderungen der Wellenaktivität, haben einen Einfluss auf die thermische Struktur und Zirkulation der Stratosphäre. ü Diese Variationen in der Stratosphäre beeinflussen troposphärische Prozesse. Institut für Physik der Atmosphäre

Klima-Chemie Wechselwirkungen Um ein vollständiges Verständnis der Veränderungen der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre zu erlangen ist es erforderlich, den Klimawandel und seine Rückkopplung zu berücksichtigen. ü Der Anstieg der Konzentrationen gut durchmischter Treibhausgase in der Atmosphäre führt zu höheren troposphärischen und niedrigeren stratosphärischen Temperaturen. ü Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre ist davon unmittelbar beeinflusst, da viele chemische Reaktionen temperaturabhängig sind. ü Darüber hinaus beeinflussen Temperaturänderungen die atmosphärische Zirkulation und somit den Transport von Spurengasen und -stoffen. Institut für Physik der Atmosphäre

Schema der Ozon-Temperatur Rückkopplungen aufgrund von Änderungen der chemischen Zusammensetzung der Stratosphäre Institut für Physik der Atmosphäre

Schema eines Klima-Chemie Modells (engl. Climate-Chemistry Model, CCM) Institut für Physik der Atmosphäre

FCKW-Gehalt in der Troposphäre Chlorgehalt in der Stratosphäre Institut für Physik der Atmosphäre

Volumenmischungsverhältnis CH 4 und Cly [ppbv] Volumenmischungsverhältnis CO 2 und N 2 O [ppmv] Randbedingungen für das Klima-Chemie-Modell: Treibhausgase und stratosphärischer Chlorgehalt (Cly) Jahr Institut für Physik der Atmosphäre

Randbedingungen für das Klima-Chemie-Modell: Der 11 -jährige Sonnenaktivitätszyklus 10. 7 cm Radiofluss [10 -22 Wm-2] 350 300 250 200 150 100 50 1950 2007 Jahr Agung El Chichón Pinatubo Institut für Physik der Atmosphäre

Randbedingungen für ein Klima-Chemie-Modell: Meeresoberflächentemperaturen und weitere Emissionen Meeresoberflächentemperaturen und Seeeisbedeckung: Monatsmittel des UK Met Office, Hadley Centre: Beispiel für Juni 1985 (Rayner et al. , 2003). Natürliche und anthropogene NOx Emissionen: Ø Ø Ø Industrie (Benkovitz et al. , 1996) Biomasse Verbrennung (Lee, pers. comm. , 2003) Blitze (Grewe et al. , 2001) Bodenverkehr (Matthes, 2003; Corbett et al. , 1999) Luftverkehr (Schmitt und Brunner, 1997) Institut für Physik der Atmosphäre : 12. 0 - 33. 0 Tg. N/a : 6. 3 - 7. 2 Tg. N/a : ~5. 0 Tg. N/a : 4. 8 - 13. 1 Tg. N/a : 0. 1 - 0. 7 Tg. N/a

Temperaturtrend in der unteren Stratosphäre Institut für Physik der Atmosphäre

Temperaturentwicklung in der Stratosphäre Temperaturanomalien 37 -52 km 30 -45 km 23 -38 km 13 -22 km Jahr Institut für Physik der Atmosphäre SPARC CCMVal Report, 2010

Validierung: Zonalmittel Gesamtozon (1995 - 2008) Institut für Physik der Atmosphäre Loyola et al. , 2009

Validierung: Jahreszeitenmittel Gesamtozon (1995 - 2008) Institut für Physik der Atmosphäre Loyola et al. , 2009

Validierung: Standardabweichung Gesamtozon (1995 - 2008) Institut für Physik der Atmosphäre Loyola et al. , 2009

Entwicklung der Ozonschicht (1960 - 2050) Ozonanomalie [DU] 60°N - 60°S Jahr Institut für Physik der Atmosphäre Loyola et al. , 2009; Dameris, 2009

Einfluss des Klimawandels auf die Ozonschicht WACCM Druck [h. Pa] E 39 C ΔT [°C] FMA REF–NCC WACCM Druck [h. Pa] E 39 C ΔO 3 [%] FMA geogr. Breite (°) Institut für Physik der Atmosphäre

Die meridionale Massenzirkulation -Dobson Zirkulation) Institut für Physik der Atmosphäre (Brewer Holton et al. , 1995

Wasserdampf "Tape recorder" (10°S-10°N) HALOE E 39 C-A Institut für Physik der Atmosphäre Stenke et al. , 2009

Einfluss des Klimawandels auf die -Dobson Zirkulation (REF-NCC) Brewer Änderung der Wellenaktivität im Jul. /Aug. geogr. Breite [°] Druck [h. Pa] Änderung der Wellenaktivität im Dez. /Jan. Sommer Winter Sommer Verursacht durch Änderungen in der Aktivität stationärer Wellen Institut für Physik der Atmosphäre

Änderung der Meeresoberflächentemperatur, SST (REF-NCC) Änderung der SST im Juli/August geogr. Länge [°] geogr. Breite [°] Änderung der SST im Dezember/Januar Δ(SST)max ≈ +1°C Institut für Physik der Atmosphäre

Änderung des konvektiven Niederschlags (REF-NCC) Juli/August geogr. Länge [°] geogr. Breite [°] Dezember/Januar Δ(konvektiver Niederschlag)max ≈ +7% Institut für Physik der Atmosphäre

Einfluss tropischer SST auf die Brewer-Dobson Zirkulation © H. Schlager Untersuchung der Ursache. Wirkung Beziehung: Ansteigende Temperaturen der Ozeanoberfläche führen zu: • verstärkter hoch reichender Konvektion, • erhöhte Freisetzung von latenter Wärme, • verstärkte Anregung von quasistationären planetaren Wellen, • Intensivierung des Aufsteigens tropischer Luftmassen. Institut für Physik der Atmosphäre Deckert and Dameris, 2008 a; b

Aufsteigen tropischer Luftmassen: Zeitliche Veränderungen DJF Jahresmittel JJA Institut für Physik der Atmosphäre Garny et al. , 2009

Relativer Trend [%/Jahr] im tropischen Aufsteigen E 39 CA: 1960 -2049 (SCN-B 2 d) Institut für Physik der Atmosphäre

Relativer Trend [%/Dek. ] im tropischen Aufsteigen Differenz 2000 s – 1960 s Differenz 2040 s – 2000 s Differenzen von SCN 2 REF 1 Differenzen von "Zeitscheiben": SST + GHG SST GHG Institut für Physik der Atmosphäre

Zukünftige Entwicklung Abkühlung führt zu einer Zunahme der Netto. Ozonproduktion Rückgang der Temperatur: Ozonabbau wird verstärkt Institut für Physik der Atmosphäre

Was wissen wir bisher? ü Die Veränderungen des stratosphärischen Klimas und der Ozonschicht können mittels von Klima-Chemie-Modellen nachvollzogen werden, wenn sowohl natürliche als auch anthropogene Antriebe berücksichtigt werden. ü Klima-Chemie-Modelle zeigen in konsistenter Weise, dass die Erholung der Ozonschicht in einigen Regionen schneller von statten geht, wenn die Stratosphärentemperatur aufgrund des Klimawandels weiter sinkt; dies gilt nicht für die Polregionen. ü Dort führen niedrigere Temperaturen zu einer stärkeren Bildung von polaren Stratosphärenwolken (PSCs). ü Die modellierte Intensivierung des Aufsteigens von Luftmassen in der tropischen unteren Stratosphäre (GCMs, Klimamodelle, CCMs) ist ein deutliches Indiz für eine veränderte Zirkulation. Bis heute sind die Gründe und Mechanismen unklar, diese Veränderungen verursachen. Institut für Physik der Atmosphäre

Was wissen wir bisher? Þ Die Erholung der Ozonschicht verläuft möglicherweise regional unterschiedlich. Sie ist keine simple Umkehrung des Abbaus. ü Eine vollständige Erholung der Ozonschicht einschließlich der Polarregionen wird etwa zur Mitte des Jahrhunderts erwartet. ? Ein "super-recovery" der Ozonschicht scheint möglich. Institut für Physik der Atmosphäre

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Institut für Physik der Atmosphäre

Verwendung des Lagrang'schen Advektionsschemas ATTILA (Reithmeier und Sausen, 2002) • ATTILA: Atmospheric Tracer Transport In a Lagrangian • • Modellatmosphäre wird in eine große Zahl (498. 000) von Luftpaketen gleicher Masse eingeteilt, die mit dem simulierten Windfeld advehiert werden. Jedem Luftpaket wird für jedes Spurengas ein Mischungsverhältnis zugeordnet. Strikt Masse erhaltend. • • Starke Gradienten werden reproduziert. Institut für Physik der Atmosphäre

Der Temperatur- und Feuchtefehler E 39/SLT vs. HALOE E 39/SLT vs. ERA 40 Institut für Physik der Atmosphäre

Der Temperatur- und Feuchtefehler E 39/ATTILA vs. HALOE E 39/ATTILA vs. ERA 40 Institut für Physik der Atmosphäre

Tropopausendruck und -temperatur Institut für Physik der Atmosphäre

Zonalwind: Januar und Juli ERA 40 E 39/SLT E 39/ATTILA Institut für Physik der Atmosphäre

Jahresgang Zonalwind: Nord- und Südhemisphäre ERA 40 E 39/SLT E 39/ATTILA Institut für Physik der Atmosphäre

Wasserdampf: 50 h. Pa, Oktober Institut für Physik der Atmosphäre

Stratosphärischer Chlorgehalt Institut für Physik der Atmosphäre

Ozonprofile (80 er Jahre) 74°N, 95°W E 39 C-A Sonden Institut für Physik der Atmosphäre

Ozonprofile "Südpol" frühe 1980 er 1990 er E 39 C-A Institut für Physik der Atmosphäre

Anomalie: Gesamtozon 60°-90°S, SON Institut für Physik der Atmosphäre

Zeitreihen des tropischen Aufsteigens DJF (red), MAM (cyan), JJA (blue) and SON (magenta) Institut für Physik der Atmosphäre

Zeitreihen des tropischen Aufsteigens DJF (red), MAM (cyan), JJA (blue) and SON (magenta) Institut für Physik der Atmosphäre

Zeitreihen des tropischen Aufsteigens DJF (red), MAM (cyan), JJA (blue) and SON (magenta) Institut für Physik der Atmosphäre

Mc. Landress and Shepherd, 2009; J. Clim Zeitreihen des tropischen Aufsteigens Institut für Physik der Atmosphäre

Impact of SSTs on climatologies and trends (see Garny et al. , 2009) Upwelling 76 h. Pa REF 1 JJA Mass flux [kg/s] annual Mass flux [kg/s] DJF Upwelling 76 h. Pa SCN 2 years Trends may vary on decadal time-scales Institut für Physik der Atmosphäre

Changes of upwelling in Past and Future: Sensitivity to region of integration Difference 2000 s – 1960 s Difference 2040 s – 2000 s Pressure [h. Pa] Diff from SCN 2 VARYING: Integration over region where wstar points upward FIXED: Integration over 20°S to 20°N relative Difference in tropical Upwelling / decade [%] Institut für Physik der Atmosphäre

Sensitivity simulations Ø Time-slice experiments, running under same conditions for 15 -20 years (+5 years spinup). Experiment SSTs GHGs Reference 2000 1960 SST 1960 2000 1960 GHG 2000 1960 SST+GHG 1960 2040 SST 2040 2000 2040 GHG 2000 2040 SST+GHG 2040 Institut für Physik der Atmosphäre Ozone depleting substances a left unchange (year 2000 conditions)