Wasserdampfprofile in der zentralen Arktis bei verschiedenen AO-Indizes

Wasserdampf trägt als Treibhausgas zum Strahlungsbudget der Atmosphäre bei und ist im atmosphärischen Energietransport, bei Wolkenprozessen und der Niederschlagsbildung von Bedeutung. Die Kenntnis der vertikalen Wasserdampfprofile in der Arktis ist ein wichtiger Beitrag zum Verständnis des arktischen Klimasystems und seines Wandels.
Im Rahmen der MOSAiC-Kampagne wurden vom Oktober 2019 bis Oktober 2020 über ein Jahr verschiedenste klimarelevante Parameter gemessen. Mit dem Raman-Lidar PollyXT konnten erstmals nördlich von 85°N vertikal hochaufgelöste Profile des atmosphärischen Wasserdampfes aufgenommen werden. Die Dunkelheit der Polarnacht und niedrige Sonnenstände ermöglichten kontinuierliche Messungen des Wasserdampfes von Oktober 2019 bis März 2020. Die Kalibrierung der Raman-Lidar-Daten erfolgt mit Radiosondenprofilen oder dem integrierten Wasserdampf eines Mikrowellenradiometers.
Die gemessenen Absolutwerte des Wasserdampfmischungsverhältnisses in der Arktis sind sehr gering, die vertikale Verteilung ist jedoch hoch variabel und die relative Feuchte erreicht aufgrund der tiefen Temperaturen bodennah häufig Werte nahe 100%. Die vertikale Struktur des Wasserdampfes und der verschiedenen in unterschiedlichen Höhen gemessenen Feuchteschichten lässt auf unterschiedliche Quellen des Wasserdampfes schließen. Zum einen gibt es lokale Quellen wie Verdunstung und Kondensation, die vor allem bodennah auftreten und zum anderen wird im Bereich der freien Troposphäre Wasserdampf aus entfernteren Regionen herantransportiert. Die Stärke des Transports wird dabei hauptsächlich von der allgemeinen Zirkulation in der Atmosphäre bestimmt, welche in der Arktis durch die Arktische Oszillation (AO) beschrieben werden kann. Mit Hilfe des AO Indexes lassen sich positive Phasen (AO>0) mit einem starken Polar Vortex und wenig meridionalem Transport und negative Phasen (AO<0) mit einem stark mäandrierenden Jetstream und viel meridionalem Transport unterscheiden. Der Winter 2019/20 kann so in eine vorwiegend negative und eine stark positive Phase unterteilt werden. Erste Fallbeispiele zeigen deutliche Unterschiede in der Vertikalstruktur und der Gesamtmenge des Wasserdampfes für die beiden Phasen. Während der negativen Phase der arktischen Oszillation werden mehrere zeitlich sehr variable Wasserdampfschichten beobachtet. Bei positivem AO Index ist dagegen nur eine homogene Schicht erkennbar und die Werte des Wasserdampfmischungsverhältnisses sind deutlich geringer. Zudem lassen sich in beiden Phasen Zusammenhänge zwischen Wasserdampf- und Temperaturprofilen erkennen. In der Höhe von Feuchteinversionen treten zum Beispiel häufig auch Temperaturinversionen auf. Mit der Untersuchung weiterer Fallbeispiele soll die vertikale Struktur des Wasserdampfes in der Atmosphäre, deren zeitliche Veränderung und der Zusammenhang zur Arktischen Oszillation weiter analysiert werden.