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AG Atmosphärendynamik

Auswirkungen einer neuen Quelle von CFC-11 und eines zukünftigen Grand Solar Minimums auf die Erholung der Ozonschicht

Betreuer: Prof. Ulrike Langematz, Dr. Tobias Spiegl

Beschreibung:

Das Montrealer Protokoll zum Schutz der Ozonschicht trat zum 1. Januar 1989 in Kraft. Seither wurde das Übereinkommen sukzessive überarbeitet und regelt heute den schrittweisen Bann von nahezu 100 anthropogen verursachten ozonzerstörenden Substanzen. Das Montrealer Protokoll gilt dabei als multilateraler Meilenstein, wurde es doch von sämtlichen Mitgliedsstaaten der Vereinten Nationen bestätigt. Ein besonders hohes Ozonabbaupotential weist der Fluorchlorkohlenstoff CFC-11 auf, weshalb ein weltweiter Verzicht auf die Substanz zum Jahr 2000 auf der Londoner Konferenz (1990) beschlossen wurde (WMO 2018).

2018 konnten Montzka et al. zeigen, dass der Abbau von CFC-11 in der Atmosphäre langsamer abläuft als dies unter einer vollen Berücksichtigung des Montrealer Protokolls zu erwarten wäre. Der Grund für diese verzögerte Entwicklung liegt in einer neuen Quelle von CFC-11. Auf Basis der Untersuchungen von Rigby et al. (2019) konnte die Quelle dieser neuen Emissionen innerhalb des Nordostens von China (Provinz Hubei) verortet werden. Die Wiederaufnahme der Produktion von CFC-11 stellt einen Verstoß gegen das Montrealer Protokoll dar. Werden die zusätzlichen Emissionen im Rahmen von Simulationen mit Klima-Chemie-Modellen berücksichtigt, ergibt sich in Abhängigkeit vom zugrundeliegenden Projektionsszenario eine verspätete Erholung des Totalozons von wenigen Jahren bis zu mehr als einem Jahrzehnt (u.a. Dhomse et al.,2019; Fleming et al., 2020; Keeble et al., 2020).

Neben einer vom Menschen verursachten Verschleppung der Erholung der Ozonschicht können auch natürliche Einflussfaktoren zu einer verzögerten Entwicklung beitragen. Ein solcher Faktor ist eine mögliche Rückkehr der Sonnenaktivität zu einem Grand Solar Minimum (GSM) innerhalb der nächsten Jahrzehnte. Ein GSM geht mit einer deutlichen Abschwächung der solaren Strahlkraft einher und kann zu einer Überprägung des anthropogenen Klimawandels in der Troposphäre und der mittleren Atmosphäre beitragen (u.a. Spiegl und Langematz, 2020). Je nach Intensität des angenommenen GSM, zeigt sich aufgrund der geringeren Einstrahlung im UV-Bereich des solaren Spektrums, eine breitengradabhängige Verzögerung der Totalozonerholung um mehrere Jahrzehnte (Anet et al., 2013; Spiegl, 2017).

Während der individuelle Einfluss (zusätzliches CFC-11 oder ein zukünftiges GSM) auf das Timing der zukünftigen Ozonerholung bereits im Modell untersucht wurde, steht eine Kombination der beiden Effekte noch aus. Ziel der Masterarbeit ist somit die (angeleitete) Durchführung geeigneter Simulationen mit dem Klima-Chemie-Modell EMAC (u.a. Jöckel et al., 2010) für den Projektionszeitraum 2020 bis 2100.

Aufgaben:

•    Entwicklung geeigneter Zukunftsszenarien in Bezug auf zusätzliche CFC-11 Emissionen (insbesondere Auswertung der verfügbaren Literatur).

•    Durchführung und Verwaltung von EMAC-Simulationen (Postprocessing) nach ausführlicher Einweisung.

•    Analyse der Rückkehrjahre zu den Werten des Totalozons von 1960 und Quantifizierung der individuellen Einflussfaktoren CFC-11 vs. GSM (einzeln und kombiniert).

Voraussetzungen:

Interesse an der Ozonschicht und der Dynamik der mittleren Atmosphäre sowie der Auswertung und Durchführung von Klimamodellsimulationen. Für die Auswertung der Modellsimulationen sind Grundkenntnisse in R, Python notwendig sowie für die Durchführung eigener Simulationen Grundlagen in Fortran von Vorteil.

Einführende Literatur:

Anet, J. G., Rozanov, E. V., Muthers, S., Peter, T., Brönnimann, S., Arfeuille, F., ... & Schmutz, W. K. (2013), Impact of a potential 21st century “grand solar minimum” on surface temperatures and stratospheric ozone. Geophysical Research Letters, 40(16), 4420-4425.

Dhomse, S. S., et al. (2019), Delay in recovery of the Antarctic ozone hole from unexpected CFC-11 emissions. Nature communications 10.1 (2019): 1-12.

Fleming, E. L., Newman, P. A., Liang, Q., & Daniel, J. S. (2020), The Impact of Continuing CFC‐11 Emissions on Stratospheric Ozone. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 125(3), e2019JD031849.

Jöckel, P., Kerkweg, A., Pozzer, A., Sander, R., Tost, H., Riede, H., ... & Kern, B. (2010), Development cycle 2 of the modular earth submodel system (MESSy2). Geoscientific Model Development, 3, 717-752.

Keeble, J., Abraham, N. L., Archibald, A. T., Chipperfield, M. P., Dhomse, S., Griffiths, P. T., & Pyle, J. A. (2020), Modelling the potential impacts of the recent, unexpected increase in CFC-11 emissions on total column ozone recovery. Atmospheric Chemistry and Physics, 20(12), 7153-7166.

Montzka, S. A., Dutton, G. S., Yu, P., Ray, E., Portmann, R. W., Daniel, J. S., ... & Nance, J. D. (2018), An unexpected and persistent increase in global emissions of ozone-depleting CFC-11. Nature, 557(7705), 413-417.

Rigby, M., Park, S., Saito, T., Western, L. M., Redington, A. L., Fang, X., ... & Fraser, P. J. (2019), Increase in CFC-11 emissions from eastern China based on atmospheric observations. Nature, 569(7757), 546-550.

Spiegl, T., & Langematz, U. (2020), Twenty-First-Century Climate Change Hot Spots in the Light of a Weakening Sun. Journal of Climate, 33(9), 3431-3447.

Spiegl, T. C. (2017), Die Auswirkungen eines potentiellen Grand Solar Minimum auf das Klimasystem vor dem Hintergrund des anthropogenen Klimawandels (Dissertation).

WMO (World Meteorological Organization) (2018), Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2018, Global Ozone Research and Monitoring Project–Report No. 58, 588 pp., Geneva, Switzerland.

 

 

Einfluss der QBO und des 11-jährigen Sonnenzyklus auf die Madden-Julian-Oscillation (MJO) in der tropischen Troposphäre

Betreuer: Prof. Ulrike Langematz, Dr. Markus Kunze

Beschreibung:

Die Madden-Julian-Oscillation ist die dominierende Komponente der intrasaisonalen Variabilität in der tropischen Troposphäre (u.a. Wunderlich, 2016). Es handelt sich dabei um eine nach Osten wandernde Kelvinwelle der Wellenzahl 1-2 mit einer Periode von 50-70 Tagen. Die MJO wird insbesondere über dem Indischen Ozean, dem maritimen Kontinent und dem tropischen Pazifik sichtbar, wo bei aktiver MJO benachbarte großräumige Gebiete mit starker konvektiver Aktivität im Wechsel mit wolkenfreien Regionen nach Osten wandern. Es ist bekannt, dass die troposphärische MJO die Intensität der stratosphärischen Polarwirbels im Nordwinter beeinflussen kann (Garfinkel et al., 2012).

Neuere Studien postulieren nun einen alternativen, nach unten gerichteten Zweig der Kopplung zwischen Stratosphäre und Troposphäre: Analysen von Beobachtungsdaten legen die Vermutung nahe, dass die Intensität der MJO durch die Stratosphäre moduliert wird. Demnach ist die MJO stärker, wenn sich die stratosphärische Quasi-Biennial Oscillation (QBO) in ihrer Ostphase und der 11-jährige Sonnenzyklus im Minimum befinden (u.a. Yoo et al., 2016; Hood, 2017). Als möglicher Auslöser einer solchen Kopplung zwischen Stratosphäre und Troposphäre wurden Temperaturanomalien in der unteren tropischen Stratosphäre vorgeschlagen, die sich in Abhängigkeit der Phasen von QBO und Sonnenzyklus einstellen und die Intensität der Konvektion in den Tropen modulieren (Kodera et al., 2019). Über eine veränderte Ausbreitung von Rossby-Wellen beeinflusst eine derart modulierte MJO sogar das intrasaisonale Klima bis in die mittleren Breiten (Hood et al, 2020).

In der Masterarbeit soll nun anhand von bereits vorhandenen und noch durchzuführenden Modellsimulationen mit dem EMAC Klima-Chemiemodell (Jöckel et al., 2010) untersucht werden, ob dieser auf Beobachtungen basierende Zusammenhang in einem Modell reproduziert werden kann. Dabei sollen die Einflüsse von QBO und solarer Variabilität auf die MJO in den Tropen separiert und die Mechanismen identifiziert werden.

Methoden und Analysen:

Analyse und Durchführung von Simulationen mit dem EMAC-Klima-Chemiemodell, Identifikation der MJO, Korrelations-, Regressions-, Kompositanalysen, dynamische Analysen (TEM)

Voraussetzungen:

Interesse an der dynamischen Kopplung zwischen Troposphäre und Stratosphäre und der Auswertung und Durchführung von Klimasimulationen. Für die Auswertung der Modellsimulationen sind Grundkenntnisse in R, Python notwendig sowie für die angeleitete Durchführung eigener Simulationen Grundlagen in Fortran von Vorteil.

Einführende Literatur:

Collimore, C. C., D. W. Martin, M. H. Hitchman, A. Huesmann, and D. E. Waliser (2003), On The Relationship between the QBO and Tropical Deep Convection. J. Climate, 16, 2552–2568, https://doi.org/10.1175/1520-0442(2003)016<2552:OTRBTQ>2.0.CO;2.

Garfinkel, C. I., Feldstein, S. B., Waugh, D. W., Yoo, C., and Lee, S. (2012), Observed connection between stratospheric sudden warmings and the Madden‐Julian Oscillation, Geophys. Res. Lett., 39, L18807, doi:10.1029/2012GL053144.

Hood, L. L. (2017), QBO/solar modulation of the boreal winter Madden-Julian oscillation: A prediction for the coming solar minimum, Geophys. Res. Lett., 44, 3849–3857, doi:10.1002/2017GL072832.

Hood, L. L., M. A. Redman, W. L. Johnson, and T. J. Galarneau (2020), Stratospheric Influences on the MJO-Induced Rossby Wave Train: Effects on Intraseasonal Climate. J. Climate, 33, 365–389, https://doi.org/10.1175/JCLI-D-18-0811.1.

Jöckel, P., Kerkweg, A., Pozzer, A., Sander, R., Tost, H., Riede, H., ... & Kern, B. (2010), Development cycle 2 of the modular earth submodel system (MESSy2). Geoscientific Model Development, 3, 717-752.

Kodera, K., Eguchi, N., Ueyama, R., Kuroda, Y., Kobayashi, C., Funatsu, B. M., and Claud, C. (2019), Implication of tropical lower stratospheric cooling in recent trends in tropical circulation and deep convective activity, Atmos. Chem. Phys., 19, 2655–2669, https://doi.org/10.5194/acp-19-2655-2019.

Wunderlich, F. (2016), Darstellung der Madden-Julian Oszillation und deren Einfluss auf die boreale Stratosphäre im Winter durch das Klima-Chemiemodell EMAC-O, Masterarbeit, Freie Universität Berlin.

Yoo, C., and S.-W. Son (2016), Modulation of the boreal wintertime Madden-Julian oscillation by the

stratospheric quasi-biennial oscillation, Geophys. Res. Lett., 43, 1392–1398, doi:10.1002/2016GL067762.