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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Troposphären-Stratosphärenaustausch in Bereich des Asiatischen Monsuns

Zur Entfaltung von Synergien mit der Energieforschung werden in Zukunft Untersuchungen der Auswirkungen der Energiewirtschaft (z. B. Emission von Treibhaussubtanzen) auf den Höhenbereich der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (engl. Abkürzung UTLS) zunehmend verstärkt. Die starke Bevölkerungszunahme in Süd-Ost Asien sowie das damit verbundene rasante, wirtschaftliche Wachstum führt zu einer zunehmenden regionalen und globalen Belastung der Atmosphäre. Insbesondere stellt der asiatische Sommer-Monsun ein persistentes Zirkulationsmuster dar, das die klimarelevanten Emissionen von der bodennahen Grenzschicht in die untere Stratosphäre transportiert. Um die damit verbundenen, globalen Effekte auf das Klima nachhaltig reduzieren zu können, ist ein detailliertes Verständnis solcher Transportwege von großer Bedeutung. Ferner ist der Einfluss des Klimawandels auf solche Prozesse, vor allem auf der regionalen Skala, nur unzureichend verstanden. Offen ist auch die Frage, wie der Eintrag der asiatischen Emissionen und deren Folgeprodukte in die Stratosphäre im Detail verläuft.

Im Höhenbereich von etwa 10 bis 18 km Höhe bildet der asiatische Monsun ein nahezu stationäres und über drei Monate existierendes Hochdruckgebiet, das sich in Form eines antizyklonalen Wirbels nahezu über ganz Asien erstreckt. Diese Antizyklone, deren Kern bei etwa 30°N liegt, schließt die asiatischen Emissionen sehr wirksam ein, die dank starker Konvektion, vor allem über Indien, Süd-China und Indonesien, in solche Höhen befördert werden. Als direkte Konsequenz findet man erhöhte Werte troposphärischer Spurengase wie Wasserdampf, CO oder HCN, sowie erniedrigte Werte stratosphärischer Spurengase wie Ozon oder HCl innerhalb der Antizyklone. Dieser, in den letzten Jahren viel diskutierte Befund, wurde vor allem aus den Satellitenbeobachtungen abgeleitet. Offen ist allerdings die Frage, inwieweit die asiatischen Emissionen die Zusammensetzung der sog. TTL-Schicht (tropical tropopause layer) beeinflussen, also eines sich über dem Äquator erstreckenden Bereiches der Atmosphäre, der den Massenfluss in die Stratosphäre maßgeblich bestimmt und daher als das „Tor zur Stratosphäre'' bezeichnet wird. Der meridionale, äquatorgerichtete Transport von der Antizyklone in die TTL geschieht unregelmäßig und wird durch planetare Wellen sowie Mischprozesse stark beeinflusst. Quantitative Angaben zu den transportierten Mengen sind Gegenstand der aktuellen Forschung.

Das IEK-7 hat im Rahmen von Modellsimulationen den Einfluss dieses Zirkulationsmusters auf den Jahresgang von Ozon (Konopka et al., 2009, Konopka et al., 2010, Plöger et al., 2010) eingehend untersucht. Zusätzlich wurde der Einfluss der Darstellung des Vertikaltransports in Modellen auf die Zusammensetzung der TTL diskutiert (Plöger et al., 2011). Der Einfluss der Torfbrände in Indonesien auf die erhöhten Werte von HCN in der TTL wurde mit Hilfe des Chemie-Transport Modell CLaMS (Pommrich et al., 2010) nachgewiesen. Alle diese Arbeiten zeigen nicht nur, dass der asiatische Monsun ein zusätzlicher wichtiger Transportweg ist, der die Emissionsquellen in Süd-Ost Asien mit der Stratosphäre verbindet, sondern auch, dass auf diesem Weg ein wesentlicher Anteil der stratosphärischen Luftmassen aus den Extratropen in die TTL dazugemischt wird. Geplante Flugzeugkampagnen (GEOPHYSICA) im Bereich des asiatischen Monsuns (Ostindien) sollen diesen Forschungsschwerpunkt zukünftig am IEK-7 durch Messungen erweitern. Außerdem ist das IEK-7 eingeladen worden, im Jahr 2012 an der Missionsplanung und Datenanalyse einer Messkampagne der NASA (Malaysia) teilzunehmen.

Konopka, J.-U. Grooß, F. Plöger, and R. Müller, Annual cycle of horizontal in-mixing into the lower tropical stratosphere, Journal of Geophysical Research, D19111, doi:10.1029/2009JD011955, 2009.

Konopka, P., J.-U. Grooß, G. Günther, F. Plöger, R. Pommrich, R. Müller, and N. Livesey (2010), Annual cycle of ozone at and above the tropical tropopause: observations versus simulations with the Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere (CLaMS), Atmospheric Chemistry and Physics, 10, 121–132, 2010.

Plöger, F., P. Konopka, G. Günther, J.-U-Grooß, and R.Müller, Impact of the vertical velocity scheme on modeling transport across the tropical tropopause layer, of Geophysical Research, 115 (D03301), doi:10.1029/2009JD012023, 2010.

Plöger, F., Fueglistaler, S., Grooß, J.-U., Günther, G., Konopka, P., Liu, Y.S., Müller, R., Ravegnani, F., Schiller, C., Ulanovski, Riese, M., Insight from ozone and water vapour on transport in the tropical tropopause layer (TTL), Atmospheric Chemistry and Physics, 11 (2011), 407 – 419, 2011.

Pommrich, R., R. Müller, J.-U. Grooß, P. Konopka, G. G. A. Heil, M. Schultz, H.-C. Pumphrey, and M. Riese, Simulation of the atmospheric tape recorder signal in HCN, Geophysical Research Letters.,37, L16805, doi:10.1029/2010GL044056, 2010.


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