Towards Seamless Simulations of Polar Stratospheric Clouds and Ozone in the Polar Stratosphere with ICON-ART

• Main Author: Weimer, Michael
• Format: Text
• Language: English
• Published: Karlsruhe 2019
• Subjects: Polar stratospheric clouds; ICON; ART; Mountain wave; Antarctica; Antarctic Peninsula; atmospheric chemistry; modelling; Antarctic; Antarc*; Antarktis*
• Online Access: https://dx.doi.org/10.5445/ir/1000100338; https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000100338

Seit der Entdeckung des Ozonlochs über der Antarktis vor einigen Jahrzehnten ist die Repräsentation von Ozon in seinen zentralen Rollen als Treibhausgas und UV-absorbierendes Molekül in Chemie-Klima-Modellen ein wesentliches Ziel. Dabei ist die realistische Darstellung von polaren Stratosphärenwolken (PSCs, von engl. "polar stratospheric clouds'') unabdingbar, da diese in der Polarnacht eine Aktivierung von Chlorsubstanzen und irreversibles Ausfallen von stickstoffhaltigen Substanzen bewirken und damit den Ozonabbau im lokalen Frühling über der Antarktis erklären. Drei PSC-Typen werden anhand deren Zusammensetzung unterschieden: Salpetersäuretrihydrat-Partikel (NAT, von engl. "nitric acid trihydrate''), unterkühlte ternäre Lösungstropfen (STS, von engl. "supercooled ternary solution'') und Eis-Partikel. Globale Chemie-Klima-Modelle zur dekadischen Vorhersage von Ozon haben meist eine relativ grobe horizontale Auflösung von einigen hundert Kilometern. Dies hat zur Folge, dass Prozesse wie Schwerewellen hinter Gebirgen nicht aufgelöst werden können, da diese mit Wellenlängen von 100 km und weniger zu kleinräumig sind. Durch Leewellen entstandene PSCs haben jedoch einen signifikanten Einfluss auf die Ozonchemie, wodurch die Vorhersage des Ozonabbaus in diesen Regionen durch bisherige globale Chemie-Klima-Modelle eingeschränkt ist. Das Modellsystem ICON-ART (ICON: ICOsahedral Non-hydrostatic, ART: Aerosols and Reactive Trace gases) bietet neben der Berechnung der atmosphärischen Zustandsvariablen in Skalen von einigen hundert Kilometern bis zu wenigen hundert Metern auch die Möglichkeit der lokalen Gitterverfeinerung mit Zwei-Wege-Interaktion. Dadurch können beispielsweise Regionen mit hoher Leewellenaktivität feiner aufgelöst werden, sodass in diesen Regionen die Leewelle direkt simuliert werden kann. Außerdem kann deren Effekt in die eigentlich zu grobe globale Auflösung zurückgeführt werden. In dieser Arbeit wird ein neues Modul zur Mikrophysik von den bekannten drei PSC-Typen für ICON-ART erstellt und eingebaut. Die Ergebnisse des Moduls werden zunächst mit Reanalysedaten, Flugzeugmessungen und Satellitenmessungen verglichen. Es zeigt sich, dass mit der Implementierung des PSC-Schemas jetzt alle relevanten Prozesse im Modellsystem enthalten sind, um Ozon im Vergleich zu Satellitenmessungen realistisch zu repräsentieren. Am Beispiel eines Leewellenereignisses im Juli 2008 an der Antarktischen Halbinsel wird gezeigt, dass sich im Modell große, Leewellen-induzierte PSC-Partikel bilden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass durch die dadurch höhere Chloraktivierung in der Leewelle mehr Ozon abgebaut wird. Daher wird mit dieser Arbeit die Lücke zwischen direkt aufgelösten Leewellen-induzierten PSCs und global gröber aufgelösten Langzeitsimulationen geschlossen, in denen dieser Effekt bisher nicht simuliert werden konnte. Dadurch wird es infolge dieser Arbeit möglich sein, die zukünftige Entwicklung von Ozon, auch in der Interaktion mit dem Klimawandel, besser vorherzusagen.