TIMA: Trends In the Middle Atmosphere (Phase 2)

Prof. Dr. Franz-Josef Lübken
Dr. Gerd Baumgarten,
Prof. Dr. Erich Becker,
Dr. Ralph Latteck,
Dr. Toralf Renkwitz

Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik
Schloss-Str. 6
18225 Ostseebad Kühlungsborn
Email: luebken@iap-kborn.de
Telefon: +49-38293-68100

Zusammenfassung der wissenschaftlichen Ziele

Das primäre Ziel dieses Vorhabens besteht darin, Trends und Variationen aufgrund des solaren Zyklus' in der mittleren Atmosphäre und deren Relevanz für das Klima zu untersuchen. Dies beinhaltet anthropogene Änderungen in der Mesosphäre und potentielle Rückwirkungen auf die Troposphäre. Dieses Vorhaben beruht auf unsere Ergebnisse in der ersten Phase von TIMA, die zu einer Reihe von Veröffentlichungen geführt hat.
Wir haben in TIMA-1 gezeigt, dass Temperaturtrends in der Mesosphäre deutlich größer sind als in der Troposphäre. In TIMA-2 möchten wir diese Studien ausdehnen und z. B. die Verbindung zwischen den Trends in der MA und dem Klimawandel in der Troposphäre untersuchen. Dazu gehört eine Untersuchung über mögliche Änderungen von troposphärischen Quellen von Schwerewellen und deren Auswirkung in der  Mesosphäre. Es sollen die Konsequenzen von zukünftigen Klimaszenarien auf die MA untersucht werden, einschließlich einer potentiellen Abschwächung solarer Strahlung durch mesosphärische Eisteilchen und deren Auswirkung auf das regionale Klima. Erste Abschätzungen haben gezeigt, dass dieser Effekt in Zukunft relevant sein könnte.

Wissenschaftliche Ziele

Untersuchung von Trends in der Mesosphäre

Inzwischen ist allgemein akzeptiert, dass Temperaturtrends in der Mesosphäre deutlich größer sind als in der Tropo- und Stratosphäre. Wir möchten Trends von Temperaturen, Winden, Schwerewellen und Eisschichten (NLC, NLC=noctilucent clouds, PMSE, polar mesosphere summer echoes) näher untersuchen und die Ursachen ergründen, einschließlich der Rolle von Treibhausgasen. Dazu untersuchen wir Trends in der Vergangenheit und zukünftige Klimaszenarien. Wir haben inzwischen unser globales Modell KMCM (Kühlungsborn Mechanistic Climate Model) dahingehend verbessert, dass Schwerewellen von der Troposphäre bis zur unteren Mesosphäre explizit enthalten sind. Dies soll genutzt werden, um die Trends von Schwerewellen und deren Bedeutung für die Kopplung zwischen Troposphäre und mittlerer Atmosphäre zu untersuchen.

Solare Variabilität

Die solare EUV-Strahlung wird praktisch vollständig in der mittleren Atmosphäre absorbiert. Wir möchten untersuchen welchen Einfluss die Variabilität der solaren Strahlung (11-Jahreszyklus und größere Zeiträume) auf die MA hat (Zusammensetzung, Temperaturen, Winde, NLC/PMSE). Inzwischen liegen quasi-kontinuierliche Messungen von Lidars und Radars über einen langen Zeitraum vor, die mit Modellrechnungen verglichen werden sollen. Es geht u. a. um die Frage, wie die beobachteten 11-jährigen Variationen von NLC/PMSE erklärt werden können. Warum ist die Variation in Modellen deutlich höher als in Beobachtungen? Wie moduliert die solare Aktivität andere Parameter (Wasserdampf, Winde, ...). Die Resultate der Studien über einen solaren Zyklus sollen für die Untersuchung von längeren Zeiträumen verwendet werden.

Einfluss der Mesosphäre auf die Troposphäre

Wir möchten den Einfluss von mesosphärischen Eisteilchen auf die Albedo der Erde untersuchen, insbesondere in mittleren und polaren Breiten im Sommer. Erste grobe Schätzungen zeigen, dass dieser Effekt in der Zukunft vermutlich nicht mehr zu vernachlässigen ist. Wir wollen die Relevanz für Strahlungsprozesse in der Stratosphäre (Aufheizung durch Ozon) und in der Troposphäre untersuchen, einschließlich möglicher Beeinflussung des regionalen Klimas und sekundärer Effekte, wie z. B. die Änderung der Zirkulation und die Ausbreitung von Schwerewellen. Aus empirischen Studien ist seit einiger Zeit bekannt, dass die Stratosphäre an die Troposphäre koppelt und dass chemisch aktive Spurenstoffe aus der Thermosphäre (im Winter) bis in die Stratosphäre transportiert werden. Die entsprechenden Transportprozesse sind in globalen Zirkulationsmodellen allerdings unzureichend repräsentiert. Wir möchten diese Prozsse untersuchen, insbesondere den Einfluss von Schwerewellen und Zirkulation in KMCM.

Methoden

Es sollen Modellrechnungen in der Mesosphäre mit LIMA/MIMAS (Leibniz Institute Middle Atmosphere Model/Mesopheric Ice Microphysics And tranSport model durchgeführt werden, wobei das Modell durch Beobachtungsdaten in unteren Schichten getrieben wird. Das Eismodell (MIMAS) soll auch in Kombination mit anderen Modellen, wie z. B. mit KMCM, WACCM oder MPI-ESM angetrieben werden. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf zukünftige  Klimaszenarien. Wir möchten die involvierten Prozesse untersuchen und die Modellergebnisse mit Beobachtungen vergleichen. Dabei spielen die Lidar- und Radarbeobachtungen des IAP eine besondere Rolle. Es sollen aber auch
andere Datenquellen, wie z. B. Trends von Treibhausgasen, mit berücksichtigt werden.

 

Wissenschaftliche Ergebnisse aus der ersten Phase von TIMA

Die folgende Liste enthält eine Auswahl von Veröffentlichungen aus TIMA-1. Die Ergebnisse von TIMA-2 sind in der Publikationsliste von ROMIC-II aufgeführt (siehe "ERGEBNISSE").

F.-J. Lübken, U. Berger, and G. Baumgarten,Temperature trends in the midlatitude summer mesosphere., J. Geophys. Res., 118:13347-13360, 2013.

M. Gerding, ... and F.-J. Lübken, Noctilucent cloud variability and mean parameters from 15 years of lidar observations at ... 54°N, 12°E., J. Geophys. Res., 118:317-328, 2013.

U. Berger and F.-J. Lübken, Trends in mesospheric ice layers in the Northern Hemisphere during 1961 - 2013., J. Geophys. Res., 120:11,277-11,298, 2015.

F.-J. Lübken and K. A. Nicoll, Detecting solar influence on climate: Ground-based observations., In Earth's climate response to a changing Sun, pages 139-154, 2015.

M. E. Hervig, U. Berger, and D. E. Siskind, Decadal variability in PMCs and implications for changing temperature and water vapor in the upper mesosphere., J. Geophys. Res., 121:2383-2392, 2016.

B. Karlsson and E. Becker., How does interhemispheric coupling contribute to cool down the summer polar mesosphere?, J. Climate, 29:8807-8821, 2016.

J. Fiedler, G. Baumgarten, U. Berger, and F.-J. Lübken., Long-term variations of noctilucent clouds at ALOMAR., J. Atmos. Solar-Terr. Phys., 162:79-89, 2017.

R. Latteck and J. Bremer, Long-term variations of polar mesospheric summer echoes observed at Andoya 69°N., J. Atmos. Solar-Terr. Phys., 163:31-37, 2017.,

E. Becker and S. L. Vadas., Secondary gravity waves in the winter mesosphere: Results from a high-resolution global circulation model., J. Geophys. Res.,  123, 2605-2627, 2018.,

F.-J. Lübken, U. Berger, and G. Baumgarten., On the anthropogenic impact on long-term evolution of noctilucent clouds, Geophys. Res. Lett., 45, 2018.

F. Schmidt, G. Baumgarten, U. Berger, J. Fiedler, and F.-J. Lübken, Local time dependence of polar mesospheric Clouds: A model study, Atmos. Chem. Phys., 18, 8893--8908, 2018

U. Berger, G. Baumgarten, J. Fiedler, and F.-J. Lübken., A new description of probability density distributions of polar mesospheric clouds., Atmos. Chem. Phys., 19, 4685--4702, 2019

C.-Y. She, U. Berger, Z.-A. Yan, T. Yuan, F.-J. Lübken, D. A. Krueger, and X. Hu, Solar response and long-term trend of midlatitude mesopause region temperature based on 28 years (1990-2017) of Na lidar observations, J. Geophys. Res., 124, 7140--7156, 2019

User login

Enter your username and password here in order to log in on the website