Austauschprozesse an Tropopausenfalten extratropischer Zyklonen

Troposphärisches Ozon ist bekannt als wichtiges Oxidationsmittel und als Vorläufergas hoch reaktiver Radikale. Es zählt zu den wichtigsten Treibhausgasen und wirkt bei hohen Konzentrationen an der Erdoberfläche giftig für alle Lebewesen. Zwar wird der Großteil des troposphärischen Ozons photochemisch produziert, ein erheblicher Anteil hat aber stratosphärischen Ursprung und wird entlang von Tropopausenfalten in Zyklonen in die Troposphäre transportiert. Dieser Transport von Luftmassen aus der Stratosphäre in diernTroposphäre (STT) kann zu einem kurzzeitigen, starken Ozonanstieg am Boden führen und langfristig die Chemie der Troposphäre beeinflussen. Die Quantifizierung des Ozoneintrages und die Identifizierung der dafür verantwortlichen Prozesse ist mit großen Unsicherheiten belastet und ein aktuelles Forschungsthema.rnAufgrund ihrer groben Auflösung ist es mit globalen Modellen nicht möglich, die Details dieser STT-Prozesse zu erfassen. Deshalb wird in dieser Arbeit das Modellsystem MECO(n) genutzt, welches das regionale Atmosphärenchemie- und Klimamodell COSMO/MESSy mit dem globalen Chemie-Klimamodell ECHAM5/MESSy (EMAC) koppelt. Eine einheitliche Prozessparametrisierung ermöglicht konsistente, simultane Simulationen in verschiedenen Modellauflösungen. Ein als Teil dieser Arbeit neu entwickeltes Submodell erlaubt die Initialisierung künstlicher, passiver Tracer in Abhängigkeit verschiedener Variablen. Mit einem auf diese Weise freigesetzten, stratosphärischen Tracer lässt sich Ozon mit stratosphärischer Herkunft von solchem, das photochemisch produziert wurde, unterscheiden.rnIm Rahmen einer Fallstudie werden die Austauschprozesse an einer Tropopausenfalte sowohl aus der Eulerischen, als auch aus der Lagrangeschen Perspektive betrachtet. Die Analyse der STT-Prozesse zeigt, dass Luftmassen aus der Stratosphäre durch turbulente und diabatische Prozesse am Rand der Tropopausenfalte in die Troposphäre gelangen und anschließend bis zum Boden transportiert werden. Diese absinkenden, stratosphärischen Luftmassen führen in den Simulationen zu Ozonanstiegen am Boden, die mit Beobachtungsdaten evaluiert werden können. Es wird gezeigt, dass die Ergebnisse der feiner auflösendenrnModellinstanz gut mit den Messungen übereinstimmen.rnIn einer Lagrangeschen Analyse lassen sich Mischungszeitskalen für STT-Prozesse bestimmen. Es wird gezeigt, dass Luftpakete, die sich länger als zehn Stunden in der Troposphäre aufhalten, diese durch den Eintrag ihrer stratosphärischen Tracereigenschaften beeinflussen und daher nicht vernachlässigbar sind. Eine weitere Studie gibt Aufschluss über die Effektivität der Mischung an Tropopausenfalten: Fast die gesamte Luftmasse, die sich zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Tropopausenfalte befindet, gelangt innerhalb von zwei Tagen in die Troposphäre.

Tropospheric ozone is well known as an important oxidant and a precursor for highly reactive radicals. It is one of the most important greenhouse gases and toxic to all living creatures in case of high concentrations occurring at the earth’ surface. Although a large fraction of tropospheric ozone is produced photochemically, significant amounts of ozone have stratospheric origin and are transported to the troposphere along deep Tropopause folds in cyclones. This transport of air masses from the stratosphere to the troposphere (STT) can lead to peaked ozone concentrations at ground level and hereby influence thernlong-term trend of tropospheric ozone. The quantification of the amount of ozone Input and the identification of responsible processes are subject to a high level of uncertainty and therefore a current topic of research.rnBecause of their coarse resolution, global models are not able to simulate these STTprocesses in detail. Therefore we use the global and regional atmospheric chemistry model system MECO(n), which couples the limited-area atmospheric chemistry and climate model COSMO/MESSy to the global model ECHAM5/MESSy for Atmospheric Chemistry (EMAC). Using similar process parametrisations, the system allows for very consistent, simultaneous simulations in different spatial resolutions. As a part of this thesis a newrnsubmodel has been developed, enabling the release of artificial, passive tracers dependent on certain variables. Initialising an artificial stratospheric tracer that way makes it possible to distinguish between ozone with stratospheric origin and those which has been photochemically produced.rnWithin the scope of a case study, we investigate the exchange processes in the vicinity of a tropopause fold from Eulerian and Lagrangian point of view. Air parcels, entering the troposphere due to turbulent and diabatic processes along the tropopause fold, are transported deep into the lower troposphere. Simulated ozone enhancements at ground level, caused by descending stratospheric air masses, are evaluated with observational data. It is shown that the results of the finer resolved, regional model instance coincide well with the measurements.rnWithin the framework of a Lagrangian study, mixing time-scales for STT-processes are determined. It is shown, that air parcels, staying in the troposphere longer than ten hours, influence the troposphere by inserting their stratospheric tracer properties and are therefore not negligible. Furthermore, the effectivity of mixing along a tropopause fold is analysed, showing that almost all of the air masses being once in the tropopause fold arerntransported into the troposphere during the following two days.