SOCTOC

Auswirkungen anthropogener stratosphärischer Ozonänderungen auf die Klimasensitivität und die troposphärische Oxidationskapazität

Partner

Dr. Hauke Schmidt, Max Planck Institute for Meteorology (MPI-M), Bundesstr. 53, 20146 Hamburg

Dr. Roland Ruhnke, Institute of Meteorology and Climate Research, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen

Motivation, Ziele, Methoden

Stratosphärisches Ozon wird in der Zukunft, wie auch in der Vergangenheit, von Veränderungen sowohl der anthropogenen Halogenemissionen als auch der Brewer-Dobson-Zirkulation, d.h. der großskaligen stratosphärischen Meridionalzirkulation, beeinflusst werden. Im Projekt SOCTOC untersuchen wir Effekte dieser Ozonänderungen auf a) die troposphärische Tropopausenregion (TTL) und Klimasensitivität (Teilprojekt SOCTOC-TTL) und auf b) die Oxidationskapazität der Troposphäre und damit auf Treibhausgase und das Klima (Teilprojekt SOCTOC-CHEM).

Eine Verstärkung der Aufwärtsströmung in der tropischen Tropopause, die Klimamodelle robust für eine globale Erwärmung vorhersagen, würde die Ozonkonzentration in der unteren tropischen Stratosphäre verringern. Eine wesentliche Motivation für SOCTOC-TTL ergibt sich daraus, dass in aktuellen Publikationen der Effekt dieser Ozonänderung auf die Klimasensitivität (d.h. die Antwort der global gemittelten Temperatur auf eine Erhöhung der atmosphärischen CO₂-Konzentration) sehr unterschiedlich abgeschätzt wird, mit Werten von einem vernachlässigbaren Nettoeffekt bis zu einer 25%igen Reduktion. Spezifisches Ziel von SOCTOC-TTL ist dementsprechend besser zu verstehen, wie die TTL auf globale Erwärmung reagiert, welche Rolle Ozon in der unteren Stratosphäre dabei spielt und welche Konsequenzen das für Klimasensitivität hat. Erste Ergebnisse mit einem idealisierten, 1D Modell der tropischen Atmosphäre zeigen, dass eine Verringerung der Ozonkonzentration in der unteren tropischen Stratosphäre tatsächlich die Oberflächentemperatur beeinflussen würde und dass dieser Effekt von Wasserdampf kontrolliert wird (Abb. 1).

Global wird wegen des sich verringernden stratosphärischen Halogengehalts für die nächsten Jahrzehnte mit einer Erholung der Ozonschicht gerechnet. Diese würde den Anteil der solaren UV-Strahlung erhöhen, der bis in die Troposphäre eindringt, was wiederum Konsequenzen für die primäre Produktion von OH-Radikalen und damit insgesamt für troposphärische Chemie hätte, z.B. in Bezug auf die chemische Lebensdauer von Methan, das für bis zu 20% der globalen Erwärmung seit der präindustriellen Zeit verantwortlich gemacht wird. Ob Veränderungen in den Methanemissionen oder in der troposphärischen OH-Konzentration für das in den frühen 2000er Jahren beobachtete Abflachen des Methantrends verantwortlich sind, ist offen und wird in SOCTOC untersucht.

Um die Projektziele zu erreichen nutzen wir eine Hierarchie numerischer Modelle, von 1D Modellen des Strahlungs-Konvektions-Gleichgewichts (RCE) bis hin zum globalen ICON-Zirkulationsmodell mit interaktiver Chemie.

Neben den wissenschaftlichen Zielen beabsichtigen wir das atmosphärische Zirkulationsmodell ICON und seine interaktive Kopplung an Chemie-Mechanismen weiterzuentwickeln. Dieses betrifft ICON-KOnfigurationen, die über das ART-Modul sowohl an einen komplexen Chemie-Mechanismus als auch an eine wenig rechenintensive linearisierte Ozonchemie gekoppelt sind. Ziel ist es die Nützlichkeit des Linearisierungsansatzes für Klimastudien zu evaluieren. Erste Ergebnisse (Meraner et al., 2020) zeigen, dass durch Zirkulationsanomalien erzeugte Ozonvariationen qualitativ gut mit Hilfe des Cariolle-Schemas (einer der existierenden linearen Ansätze) reproduziert werden, quantitativ jedoch häufig unterschätzt werden.

Abb.1: Auswirkungen idealisierter Vertikalverschiebungen des Ozonprofils auf die Oberflächentemperatur wie sie mit dem 1D RCE-Modell konrad simuliert wurden. Punkte und Kreuze markieren Experimente mit unterschiedlichen Annahmen zur atmosphärischen Konvektion. Dunkelblau (fRH): Experimente, bei denen das Mischungsverhältnis des Wasserdampfs von Temperaturänderungen gemäß der Annahme konstanter relativer Feuchte beeinflusst wird. Hellblau (fRHSS): Wasserdampf wird nur in der Troposphäre von der Temperatur beeinflusst, in der Stratosphäre ist das Mischungsverhältnis konstant. Grün (fVMR): Das Mischungsverhältnis von Wasserdampf ist überall konstant. Die Experimente zeigen, dass der Ozoneinfluss auf die Oberflächentemperatur wesentlich von der Antwort des Wasserdampfes auf die Ozonänderungen bestimmt wird. (Abb. Aus Dacie et al., 2019)

Literatur

Dacie, S., Kluft, L., Schmidt, H., Stevens, B., Buehler, S., Nowack, P., Dietmüller, S., Abraham, L. & Birner, T. (2019). A 1D RCE study of some factors which might affect the tropical tropopause layer and surface climate. Journal of Climate, 32, 6769-6782.

Meraner, K., Rast, S. & Schmidt, H. (2020). How useful is a linear ozone parameterization for global climate modeling?. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 12: e2019MS002003.