DACH-1

In autumn the prevailing wind in the middle atmosphere at mid and high latitudes changes from summer easterly to winter westerly.  This process is not smooth but interrupted by the Hiccup of the fall transition with characteristics similar to a mini sudden stratospheric warming (SSW) which occurs in fall even though the zonal mean zonal wind does not reverse to easterly again. Combining global reanalysis data and satellite observations we improve our knowledge and understanding of the dynamics of the Hiccup of the fall transition in the middle atmosphere. The introduction of a new definition for the onset of the Hiccup focusing now on its core region in the lower mesosphere allows us the automatic detection of a Hiccup in almost every year and thus a deeper insight into its dynamics. For example, we found a latitudinal and altitudinal shift in the zonal wind regime during the Hiccup. We also investigate its 3D-structure and compare the characteristics of the Hiccup in the Northern hemisphere with those in the Southern hemisphere. We found that the latitudinal and altitudinal shift of the zonal wind regime occurs in both hemispheres but is more pronounced in the Northern hemisphere and smoother in the Southern hemisphere.  Additionally, we discuss the possible impact of the Hiccup on the D-region.

How to cite: Matthias, V., Banys, D., and Hansen, M.: A deeper insight into the dynamics and effects of the Hiccup of the fall transition, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-7, https://doi.org/10.5194/dach2022-7, 2022.

Die Ausbreitung von Rossbywellen längs des Jetstreams in den mittleren Breiten ist ein bekanntes Thema der dynamischen Meteorologie. Es wurde zuletzt speziell im Zusammenhang mit dem Phänomen der „Quasi-Resonanz“ diskutiert, bei dem der Jetstream ein guter Wellenleiter sein muss, damit die Rossbywellen in zonaler Richtung ganz um den Globus geführt werden; dieses Phänomen hätte weitreichende Konsequenzen für das Auftreten von Extremwetter und die zu erwartenden Änderungen im Zusammenhang mit dem Klimawandel.  

Der vorliegende Beitrag untersucht die Technik des „ray tracings“ zur Diagnose der Ausbreitung von Rossbywellen. Unter der Annahme, dass sowohl die Wellenlänge klein ist (die sogenannte WBK-Näherung), als auch die Wellenamplitude (Linearisierung), liefert die Theorie des ray tracings das meridionale Profil der stationären Wellenzahl als Schlüsseldiagnostik: ein relatives Maximum bei einer bestimmten geografischen Breite wird dann als zonaler Wellenleiter interpretiert. Im vorliegenden Beitrag zeigt der Autor, dass diese Interpretation in manchen Situationen problematisch ist und zu Fehlinterpretationen führen kann. Der Grund liegt darin, dass in der Praxis die beiden Grundannahmen verletzt sind. Zum Beispiel ist die Annahme der WKB-Näherung oft nicht erfüllt, und dies hat zur Konsequenz, dass ein relatives Maximum der stationären Wellenzahl das tatsächliche Verhalten der Rossbywellenausbreitung nur unzureichend widerspiegelt. Zudem sind in der Praxis die Wellenamplituden manchmal so groß, dass die Annahme von linearer Wellendynamik problematisch ist. Dies ruft Artefakte hervor, die in relevanten Situationen fälschlicherweise einen Wellenleiter vortäuschen, der aller Wahrscheinlichkeit nach gar nicht existiert.

In dem Vortrag werden diese beiden Aspekte mit Hilfe von barotropen Modellsimulationen erläutert, und es wird zumindest betreffs des Amplituden-Problems eine Alternative angeboten.

How to cite: Wirth, V.: Die Tücken des „ray tracings“ für Rossbywellen in den mittleren Breiten, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-93, https://doi.org/10.5194/dach2022-93, 2022.

Auf allen Skalen in unserer Atmosphäre haben Wirbel einen Einfluss auf unser Wettersystem. Die Dynamik synoptische Wirbel, wie Hoch- und Tiefdruckgebiete, kann mathematisch hinreichend gut mit dem Gleichungssystem der zweidimensionalen Hydrodynamik ausgedrückt werden. Hier kann die vertikale Komponente vernachlässigt werden. Jedoch ist es notwendig, bei Wirbeln auf kleinerer Skala, die unser Wetter lokal beeinflussen, dreidimensionale Modelle zu verwenden. Denn nur so kann die Dynamik kleiner-skaliger Wirbel, wie beispielsweise Superzellen, erfasst werden. Um Wirbel auf beiden Skalen zu beschreiben, betrachten wir die Nambu-Darstellungen der zwei-und dreidimensionalen Wirbeldynamik. Die Nambu-Mechanik kann als Verallgemeinerung der Hamilton’schen Sichtweise aufgefasst werden. Im Vergleich zur Hamilton'schen Sichtweise spielt in der Nambu-Mechanik neben Energie eine Wirbelerhaltungsgröße eine gleichberechtigte Rolle: die Helizität in 3D, beziehungsweise die Enstrophie in 2D. Die Nambu-Darstellung der inkompressiblen Wirbeldynamik wurde im Jahr 1993 von Pèter Nevir und Richard Blender eingeführt.

Die Ableitung der Nambu-Klammer erfolgt direkt aus der Helmholtz’schen Wirbelgleichung. Das Einsetzen aller systemabhängigen Erhaltungsgrößen in diese Klammer liefert Lie Algebren für die 2D und 3D Wirbeldynamik. Hierbei nutzen wir neue Matrixdarstellungen der Erhaltungsgrößen und erzeugen auf diese Weise Matrix Lie Algebren. Darüber hinaus werden verschiedene Gruppendarstellungen für zwei- und dreidimensionale Wirbelbewegungen abgeleitet. Als Anwendung wird das Helizitätsfeld für typische meteorologische Anfangsbedingungen betrachtet. Die Nambu-Darstellung ermöglicht eine neue, algebraische Sichtweise, mit der die Mechanismen verschiedener atmosphärische Prozesse, wie beispieslweise das Teilen von Wirbeln, neu verstanden werden können.

How to cite: Müller, A. and Névir, P.: Die Nambu-Darstellung der inkompressiblen Wirbeldynamik: eine algebraische Sichtweise, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-288, https://doi.org/10.5194/dach2022-288, 2022.

Der Ausbruch des Pinatubos im Jahr 1991 liefert Hinweise darauf, dass eine starke Vulkaneruption eine Störung der Atmosphäre bis in die Region der Mesosphäre verursachen kann. So wurde mit bodengestützten Lidar-Temperaturmessungen über Fort Collins [1] eine Erwärmung der Mesopausenregion von über 12 K beobachtet und auf den vorausgegangenen Pinatuboausbruch zurückgeführt. Die zu Grunde liegenden Mechanismen sind weitgehend unverstanden. Aus diesem Grund nutzen wir das allgemeine Zirkulationsmodell UA-ICON, um einen tropischen Vulkanausbruch zu simulieren bei dem 20 Tg S in die untere Stratosphäre eingetragen werden – dies entspricht etwa der doppelten Schwefelmenge, die während des Pinatuboausbruchs im Jahr 1991 freigesetzt wurde. Das Experiment besteht aus 10 Ensemblemitgliedern, die jeweils einen Zeitraum von 27 Monaten nach der Eruption simulieren. Es deutet auf einen starken Einfluss der Eruption auf die Sommerhemisphäre hin, bei dem eine Erwärmung um mehr als 10 K der unteren polaren Sommermesopausenregion etwa ein halbes Jahr nach der Eruption simuliert wird. Dies scheint auf eine direkte dynamisch getriebene intra-hemisphärische Kopplung zwischen den Tropen und der polaren Sommerhemisphäre hinzudeuten. Dabei ermöglicht diese Simulation es, die intra-hemisphärische Kopplung mit der Sommerhemisphäre separat zu betrachten und eine inter-hemisphärische Kopplung (in Form eines sich verändernden Polarwirbels in der Nordhalbkugel) zu unterdrücken. Eine separate Simulation mit einer zusätzlichen inter-hemisphärische Kopplung wurde ebenfalls durchgeführt. Hierzu wurden Schwerewellenparameter variiert, um eine Verstärkung des nördlichen Polarwirbels zu simulieren, damit einen inter-hemisphärischen Kopplungsweg zu ermöglichen und den Einfluss dieser beiden wichtigen Kopplungsmechanismen getrennt zu betrachten.

[1] She et al. Geophys. Res. Lett., 25(4):497-500, 1998.

How to cite: Wallis, S., Schmidt, H., and von Savigny, C.: Einfluss eines starken tropischen Vulkanausbruches auf die Dynamik der mittleren Atmosphäre, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-43, https://doi.org/10.5194/dach2022-43, 2022.

Das Projekt INTEXSeas hat sich zum Ziel gesetzt, Extreme auf saisonaler Zeitskala statistisch und bezüglich deren Wettersituationen und dynamischer Prozesse zu untersuchen. Exemplarisch für extreme Saisons sind die Hitzesommer 2003 über Europa und 2010 über Russland, welche immense soziale und wirtschaftliche Auswirkungen zur Folge hatten. Weiterhin werden extrem kalte, trockene, niederschlagsreiche, stürmische und windarme Saisons in die Untersuchung einbezogen, deren Konsequenzen auch für den Agrar- und Energiesektor oder für die Tourismusbranche relevant sein können. Der ERA5 Reanalyse Datensatz von 1950 bis 2021 wird verwendet, um weltweit außerhalb der Tropen über Landgebieten systematisch saisonale Extreme herauszufiltern. Sie basieren auf den Mittelwerten von 2m-Temperatur, Niederschlag und 10m-Wind über 3 aufeinanderfolgende Monate (MAM, JJA, usw). Für die 2m-Temperatur wurde eine Trendkorrektur vorgenommen. Ein Konzept aus statischen Methoden bildet den Rahmen, um räumlich zusammenhängende Gebiete mit den extremsten saisonalen Bedingungen zu bestimmen. 

In dieser Studie werden die weltweit extremsten 10 und 50 Saisons mit mindestens 40 Jahren Wiederholungsrate verwendet, die sich aus der Rangliste der Flächenintegrale über die Anomalien der entsprechenden Variablen berechnen. Mit diesem Verfahren befinden sich die Top-50 der Temperatur- und Windextreme bevorzugt über den kontinentalen Regionen der Außertropen. Aus diesen beiden Variablen entstehen die flächenmäßig größten Gebiete saisonaler Extreme. Die Niederschlagsextreme hingegen bilden die Gebiete mit der kleinsten Skala. Entsprechend kommen Niederschlagsextreme sehr lokal vor und speziell auch in den Monsun-beeinflussten Regionen der Subtropen. Als Zeitreihe betrachtet scheinen die frühen Jahre des Datensatzes vor 1980 häufiger von extremen Saisons betroffen zu sein als die aktuelleren. Zeitliche Häufungen können beobachtet werden, wo sich Übergänge von El Nino zu La Nina, verbunden mit einem abnehmenden Nino-3.4 Index vollziehen. Schließlich wird gezeigt, welchen Einfluss Tiefdruckgebiete auf die verschiedenen Typen von saisonalen Extremen haben. Daraus ergibt sich, dass extrem niederschlagsreiche und stürmische Saisons unabhängig von der Jahreszeit durch positive Anomalien der Zyklonenhäufigkeit im identifizierten Gebiet charakterisiert sind, wohingegen der Beitrag von Zyklonen für Temperaturextreme schwächer und variabel ist.

How to cite: Boettcher, M., Röthlisberger, M., and Wernli, H.: Extreme Saisons in ERA5, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-262, https://doi.org/10.5194/dach2022-262, 2022.

Melting and evaporation of hydrometeors in and below convective clouds generates cold, dense air that falls through the atmospheric column and spreads at the surface like a density current, the cold pool. In modelling studies, the importance of cold pools in controlling the lifecycle of convection has often been emphasized, being through their organization of the cloud field or through their sheer deepening of the convection. Larger, longer-lived cold pools benefit convection, but little is actually known on the size and internal structure of cold pools from observations as the majority of cold pools are too small to be captured by the operational surface network.  One aim of the field campaign FESSTVaL was to peer into the internal structure of cold pools and their interactions with the underlying land surface by deploying a dense network of surface observations. This network consisted of 80 self-designed cold pool loggers, 19 weather stations and 83 soil sensors deployed in an area of 15 km around Lindenberg. FESSTVaL took place from 17 May to 27 August 2021.

In principle, cold pool characteristics are affected both by the atmospheric state, which fuels cold pools through melting and evaporation of hydrometeors, and the land surface, which acts to destroy cold pools through friction and warming by surface fluxes. In this talk, the measurements collected during FESSTVaL will be used to shed light on these interactions.  We are particularly interested to assess how homogeneous the internal structure of cold pools is and whether heterogeneities of the land surface imprint themselves on this internal structure. The results will be compared to available model simulations.

How to cite: Hohenegger, C., Seo, J., Nevermann, H., Kirsch, B., Shokri, N., and Ament, F.: Peering into the internal structure of cold pools and their interactions with a dense observational network, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-51, https://doi.org/10.5194/dach2022-51, 2022.

Subgrid-scale internal gravity waves (IGWs) are important distributors of energy in a stratified atmosphere. While they are mostly excited at lower altitudes their effects are most important between the upper troposphere to the mesopause (~85km). During propagation–both in the vertical and the horizontal–nonlinear IGWs can exert a wave drag on the mean winds, interact with the mean potential temperature, and mix atmospheric tracers such as aerosols or greenhouse gases.

In state-of-the art weather prediction models IGWs are typically parametrized using the single-column and the steady-state assumptions. These parametrizations take into account dissipative effects of IGWs but neglect their horizontal propagation and all of their transient interaction mechanisms such as direct wave-mean-flow interactions. However, the latter have been shown to contribute to IGW dynamics in various idealized studies.

Here we present advances of the use of the transient Multi Scale Gravity Wave Model (MS-GWaM) in the upper atmosphere model UA-ICON. Based on Lagrangian ray-tracing the parametrization includes various non-orographic wave sources, transient propagation in both the horizontal and vertical directions, direct wave-mean-flow interactions and wave breaking. The resulting setup satisfactorily reproduces the observed mean-wind and potential temperature climatology and already shows promising insights into the details of the role of IGWs in the atmosphere.

How to cite: Voelker, G. S., Bölöni, G., Kim, Y.-H., and Achatz, U.: Towards a transient gravity wave parametrization in atmospheric models, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-276, https://doi.org/10.5194/dach2022-276, 2022.

How to cite: Šácha, P., Kuchař, A., Jacobi, C., Pišoft, P., Eichinger, R., and Rieder, H.: Analysis of interaction between parameterized orographic gravity wave drag and resolved dynamics in CMAM., DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-36, https://doi.org/10.5194/dach2022-36, 2022.

The intertropical convergence zone (ITCZ) plays a central role for the tropical weather and climate and structures the large-scale circulation. As a result, the ITCZ has long been an intensively studied research topic, with most studies of the ITCZ focusing on its long-term and large-scale characteristics. However, recent modeling results have highlighted the role of storm-scale processes in the formation of the ITCZ, suggesting that our limited ability to represent these small-scale processes correctly may contribute to persistent errors in the representation of the ITCZ in climate models. Looking at the ITCZ on short spatial and temporal scales, even the question of where the low-level convergence in the ITCZ occurs appears to be unclear. Do the trade winds from the north and south meet in a narrow line of convergence, or are there two lines of convergence marking the northern and southern edges of the ITCZ? To answer this question, we performed measurements on board the German research vessel Sonne during the campaign "Mooring Rescue" in the tropical Atlantic in summer 2021. During the campaign, the thermodynamic and dynamical state of the atmosphere was measured by frequent radiosonde launches, which provided atmospheric profiles with high vertical resolution extending from the surface to the lower stratosphere. These measurements were supplemented by continuous measurements of the atmospheric boundary layer and lower free troposphere, including optical measurements of water vapor, aerosol, precipitation, wind speed and direction, and cloud base height. Here, we provide a brief overview of the atmospheric measurements and a preliminary assessment of the dynamic state observed during a north-south crossing of the ITCZ. The ship-based measurements were compared with long-term statistics from reanalysis data and satellite observations. 

How to cite: Windmiller, J., Stevens, B., Franke, H., Quaglia, I., Stolla, K., Engelmann, R., Lehmke, J., Rubio, H., Ruhtz, T., and Skupin, A.: Atmospheric measurements of the Atlantic ITCZ during a ship campaign in summer 2021, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-283, https://doi.org/10.5194/dach2022-283, 2022.

Tornados stellen eine Bedrohung für Leib und Leben dar und die durch sie verursachten Schäden können erhebliche wirtschaftliche Auswirkung haben. Welche Folgen ein Tornado in besiedelten Gebiet anrichten kann, zeigte nicht zuletzt der Tornado von Hodonín am 24. Juni 2021 mit sechs Todesopfern. Aber auch in Deutschland haben Tornados in jüngster Vergangenheit teils beträchtliche Schäden verursacht, wie beispielsweise in Bützow am 05.05.2015.

Auf Basis der Europäischen Unwetterdatenbank (ESWD – European Severe Weather Database) wurden Statistiken über die zeitliche und räumliche Verteilung von Tornados erstellt. Die Daten reichen zurück bis in das Jahr 689. Aufgrund der Entwicklung moderner Kommunikations- und Dokumentationstechniken ist ab dem Jahr 2000 eine ausreichend gesicherte Datenbasis verfügbar, sodass der Zeitraum 2000-2020 für detailliertere Analysen herangezogen wurde. Mittels statistischer Extrapolation lässt sich zeigen, dass im Jahr durchschnittlich 67 Tornados (inkl. 17 Wasserhosen) in Deutschland auftreten, die vornehmlich im Mai und Juni in den späten Nachmittagsstunden zu beobachten sind. Bezüglich der räumlichen Verteilung starker Tornados (F2+) lassen sich bevorzugte Regionen finden, wo diese gehäuft auftreten. Eine mögliche Ursache für die Häufungen stellt die Orographie in Wechselwirkung mit der Anströmungsrichtung dar.

Zusätzlich zu den statistischen Betrachtungen wurden auch typische synoptische und mesoskalige Bedingungen für das Auftreten von Tornados analysiert. Für diese Untersuchungen wurden alle Lagen mit starken Tornados (F2+) zwischen 2013 und 2020 herangezogen. Neben bevorzugten Großwetterlagen wurden auch andere Charakteristika beleuchtet, wie die Art der Konvektion oder die Konvektionszutaten. Daraus ergaben sich viele interessante Erkenntnisse, wie die Tatsache, dass es häufig im Vorfeld eines Tornadoereignisses Niederschlag gab oder, dass bestimmte Gewitter wiederholt Tornados hervorbringen können.

Die gewonnenen Erkenntnisse können helfen, das Bewusstsein von Vorhersagemeteorologen für potentielle Tornadolagen zu stärken.

How to cite: Beyer, M. and Wapler, K.: Tornados in Deutschland: Räumliche und zeitliche Verteilung sowie typische Wetterlagen, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-8, https://doi.org/10.5194/dach2022-8, 2022.

Climate change is happening in a transient manner – with continuously increasing greenhouse gases in the atmosphere, humans have started a radiative imbalance that leads to rising near-surface temperatures. However, there are good reasons why it makes sense to look at quasi-equilibrium climate change simulations. In such simulations, we approximate climate change by “fixing” the amount of long-lived greenhouse gases and use recurring boundary conditions that are representative of a particular year - past, present or future. With such a setup any climate model should simulate a stable climate (after a spin-up phase) that reveals internal variability and does not show any trends. It is a necessary condition for the validity of the model - if no transience is provided in the boundary conditions – that the model does not drift. With such a model configuration, it is possible to estimate probability density functions, because each year of a multi-annual integration is an equally valid realisation for the meteorology of the pre-selected year.

Using such a time-slice approach, sensitivities to well-specified individual changes can be assessed. Here, we provide a range of examples using the ICON-ART modelling system to investigate (idealised) climate change scenarios with respect to different threshold temperatures, jet variability and the climatic impact of the ozone hole. We illustrate how such integrations allow the unambiguous attribution of certain climate change effects, e.g. the change of jet stream variability under global warming or the contribution of the ozone hole to regional surface warming. However, we caution against a strict causality chain of processes in explaining the response, because given the nature of the quasi-equilibrium modelled, consistency might not always imply causality.

How to cite: Braesicke, P., Satitkovitchai, K., Braun, M., and Ruhnke, R.: The art of modelling climate change in time slice integrations: The ICON-ART experience, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-143, https://doi.org/10.5194/dach2022-143, 2022.

Globale Modelle der Atmosphäre können nur stabil laufen, wenn der Lorenzsche Energiezyklus durch eine Turbulenzparametrisierung geschlossen wird, d.h., dass der Energietransfer zu immer kleineren Skalen im Bereich der Auflösungsgrenze durch einen geeigneten Subskalenterm ausreichend simuliert wird. Ein häufig verwendetes Turbulenzmodel ist das Smagorinsky-Modell, welches auf dem Mischungswegansatz nach Prandtl beruht. Allerdings stellt eine konstante Mischungslänge keine realistische Annahme für die Atmopshäre mit ihren sehr unterschiedlich turbulenten Regionen dar. Daher findet die dynamische Erweiterung nach Germano und Lilly in Form des dynamischen Smagorinsky-Modells (DSM) in globalen Zirkulationsmodellen der Atmosphäre Verwendung. Hierbei stellen die starke Anisotropie und die Schichtung der Atmosphäre besondere Herausforderungen dar, die bei der ursprünglichen Entwicklung des DSM in isotroper Turbulenz keine Rolle spielten.

In meiner Präsentation gehe ich auf die Entwicklungen des DSM, die wir am IAP Kühlungsborn vorangetrieben haben, ein. Dazu zählt ein Invarianzkriterium, welches die Bedingungen für mathematische Konsistenz des Turbulenzmodells herleitet, sowie eine Verallgemeinerung des DSM in Bezug auf den zur Bestimmung der Mischungslänge gewählten Testfilter. Diese werden mit Simulationen im IAP-eigenen spektralen Zirkulationsmodell untermauert. Neuere Entwicklungen führen zu einem dem DSM vergleichbaren Ansatz für die thermodynamische Gleichung durch Einführung einer dynamisch bestimmten Prandtl-Zahl sowie die Verbindung des DSM mit einem Ähnlichkeitsansatz zu einem dynamischen gemischten Modell (DMM). In einem kurzen Ausblick werde ich weitere Ideen, z.B. die Umsetzung eines dynamischen TKE-Modells, diskutieren.

How to cite: Schaefer-Rolffs, U.: Neue Entwicklungen mit dem Dynamischen Smagorinsky-Modell, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-65, https://doi.org/10.5194/dach2022-65, 2022.

Im mittleren Holozän dehnten sich die westafrikanischen Monsunniederschläge deutlich weiter nach Norden aus als es heute der Fall ist. Modellsimulation stellen, im Vergleich zu Rekonstruktionen, eine zu schwache Verschiebung des Niederschlags nach Norden dar mit einem zu starken meridionalen Niederschlagsgradienten. Studien zeigen, dass die Repräsentation von Wechselwirkungen zwischen Land und Atmosphäre dafür von entscheidender Bedeutung sind. Wechselwirkungen zwischen Land und Atmosphäre können jedoch stark variieren, abhängig davon, ob konvektive Prozesse in Klimamodellen explizit aufgelöst oder parametrisiert werden. Daher untersuchen wir, ob und wie Wechselwirkungen zwischen Land und Atmosphäre die westafrikanischen Monsunniederschläge in Simulationen mit explizit aufgelöster und parametrisierter Konvektion beeinflussen.

Unabhängig von der Darstellung der Konvektion weisen Simulationen mit einer höheren Vegetationsdichte während des mittleren Holozäns - im Vergleich zu Simulation mit heutiger Vegetation - eine positive Wechselwirkungen zwischen Land und Atmosphäre über Nordafrika auf. Sowohl in unseren Simulationen mit explizit aufgelöster als auch mit parametrisierter Konvektion dehnt sich das Niederschlagsband über Nordafrika um 4-5° nach Norden aus, wenn wir eine höhere Vegetation vorschreiben. Diese nördliche Ausdehnung der Monsunniederschläge ist eine Folge von höheren latenten Wärmeflüssen in der Sahel-Sahara Region und einer Abschwächung und Nordwärts-Verschiebung des afrikanischen Ostjets.

Während sich die Art der Wechselwirkungen zwischen Land und Atmosphäre in Simulationen mit explizit aufgelöster und parametrisierter Konvektion nicht unterscheidet, ist die Stärke der Wechselwirkungen zwischen Land und Atmosphäre deutlich verschieden. In Simulationen mit expliziter Konvektion sind die positiven Wechselwirkungen zwischen Land und Atmosphäre schwächer ausgeprägt als in Simulationen mit parametrisierter Konvektion. Der Grund für diese schwächeren Wechselwirkungen - im Gegensatz zu bisherigen Studien - ist nicht die abgeschwächte Reaktion des Niederschlags auf eine Änderung des latenten Wärmeflusses, sondern die abgeschwächte Reaktion der Bodenfeuchte auf eine Änderung des Niederschlags. Die Darstellung der Konvektion beeinflusst maßgeblich die Niederschlagseigenschaften, wie beispielsweise deren Intensität, räumliche Verteilung oder Häufigkeit. Diese verschiedenen Niederschlagseigenschaften beeinflussen den hydrologischen Kreislauf in unseren Simulationen maßgeblich. Lokale Starkniederschläge in Simulationen mit expliziter Konvektion führen zu einem hohen Wasserabfluss, weshalb sich die Bodenfeuchte weniger gut regenerieren kann als in Simulationen mit parametrisierter Konvektion. Wir zeigen, dass diese Limitierung der Bodenfeuchte in Simulationen mit expliziter Konvektion im Vergleich zu Simulationen mit parametrisierter Konvektion, die potenzielle Stärke der Wechselwirkungen zwischen Land und Atmosphäre einschränkt und die nördliche Ausdehnung der Monsunniederschläge begrenzt.

How to cite: Jungandreas, L., Hohenegger, C., and Claussen, M.: The effect of a vegetated Sahara on the West African monsoon rainbelt in mid-Holocene storm-resolving simulations, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-103, https://doi.org/10.5194/dach2022-103, 2022.

   Emissionen von anthropogenen FCKW wurden infolge des Montrealer Abkommens von 1987 stark reduziert und entsprechend wird für das 21. Jahrhundert eine Erholung der Ozonschicht erwartet. Eine Änderung der Ozonkonzentration in der Stratosphäre verändert die Energiebilanz der Erde und wird, im Vergleich zum heutigen Tag, zu einem positiven Strahlungsantrieb führen. Daraus resultieren sowohl global als auch regional erwärmende oder abkühlende Einflüsse auf das Klima.

    Der effektive Strahlungsantrieb (Effective radiative forcing - ERF) ist definiert als Änderung der Strahlungsflüsse am oberen Rand der Atmosphäre durch bestimmte „Treiber“, unter Berücksichtigung von Rückkopplungen des Klimasystems auf kurzen Zeitskalen, während Rückkopplungen auf langen Zeitskalen (insbesondere die Meeresoberflächentemperaturen) konstant gehalten werden.Einige Studien untersuchten bereits das ERF von troposphärischen Ozonäderungen, nur wenig ist aber bekannt über den Einfluss von stratosphärischem Ozonänderungen auf den effektiven Strahlungsantrieb und dessen Auswirkung auf das Oberflächenklima.

    Um die Entwicklung der Ozonschicht und damit einhergehende Klimaänderung in die Zukunft zu projizieren führten wir so genannte Time-Slice Simulationen mit dem Klimamodell ICON-ART durch. Stratosphärische Ozonänderungen wurden mit dem linearisierten Ozonschema (LINOZ) berechnet, mit einem zusätzlichen Verlustterm, um die katalytische Ozonzerstörung in Polarregionen zu berücksichtigen. Das modellierte Ozon war interaktiv und mit der Strahlung gekoppelt.

   In der Standardsimulation werden Meeresoberflächentemperatur und Meer-Eisbedeckung, Aerosole und Treibhausgase entsprechend für das Jahr 2000 fixiert. Für Sensitivitätssimulationen verwenden wir den gleichen Modellaufbau wie in der Standardsimulation, aber mit stratosphärischen Halogenkonzentrationen entsprechend dem 1960 Niveau. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Ozonabnahme zwischen den Jahren 1960 und 2000 zwar global zu keinem signifikantem ERF geführt hat. Regional, auf der Südhemisphäre, vor allem über der Antarktis, ist das ERF der Ozonabnahme aber durchaus signifikant. Unsere Ergebnisse zeigen, dass in hohen südlichen Breiten über der Antarktis das negative ERF durch die Ozonabnahme zwischen 1960 und 2000 zu einem wesentlichen Teil das positive ERF durch den CO2 Anstieg kompensiert hat.

How to cite: Kusakova, K., Sinnhuber, B.-M., and Braesicke, P.: Auswirkungen von Halogen-induzierten stratosphärischen Ozonänderungen auf den effektiven Strahlungsantrieb und das Oberflächenklima, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-231, https://doi.org/10.5194/dach2022-231, 2022.

Eine Erhöhung der atmosphärischen CO₂-Konzentration verändert die Temperaturen und Dynamik der Stratosphäre und somit auch die Ozonkonzentrationen. Da Ozon sensibel auf langwellige, als auch auf kurzwellige Strahlung reagiert, wirkt die veränderte Ozonverteilung wiederum auf die Temperatur und modifiziert somit auch die CO₂-induzierte Veränderung der stratosphärischen Dynamik. Um diese genau untersuchen zu können, haben wir Modellsimulationen mit dem Klima-Chemie-Modell EMAC durchgeführt, bei denen die CO₂-Konzentration im Vergleich zur Zeit der Vorindustrialisierung vervierfacht wurde. Bei den 4xCO₂-Simulationen wurde dazu einmal eine nicht veränderte (vorindustrielle) und einmal eine veränderte Ozonverteilung aus einer vorhergegangenen 4xCO₂-Simulation vorgeschrieben. Es zeigt sich hierbei, dass die Änderung im Ozon zu einer Verstärkung der stratosphärischen Ostwinde im Sommer, sowie eine Abschwächung des Polarwirbels in beiden Hemisphären führt. Während die hohe Variabilität in der Nordhemisphäre zwar zu keinen eindeutigen Ergebnissen führt, sind diese in der Südhemisphäre statistisch signifikant. Zudem ist die Saison des Polarwirbels durch die CO₂-bedingte Veränderung des Ozonfeldes kürzer.  Des Weiteren wird die Beschleunigung der Brewer-Dobson-Zirkulation, welche durch eine CO₂-Erhöhung hervorgerufen wird, auf der Sommerhemisphäre durch den Ozoneinfluss gedämpft. Dies beeinflusst wiederum den Transport von den Tropen zu den Extra-Tropen. Die Ozon-bedingten Änderungen in der stratosphärischen Zirkulation beeinflussen auch die troposphärische Zirkulation und haben einen Effekt auf den troposphärischen Polarfrontjet. Dieser erfährt durch eine veränderte Ozonverteilung auf der Südhemisphäre eine systematisch schwächere Verschiebung in Richtung Pol als mit einer gleichbleibenden Ozonverteilung. Wir diskutieren die hier aufgeführten Ergebnisse und stellen diese im Kontext zum Einfluss von stratosphärischem Ozon auf die Dynamik im Klimawandel dar.

How to cite: Hufnagl, L., Eichinger, R., Garny, H., Birner, T., and Kuchař, A.: Der Einfluss von Ozonänderungen auf die stratosphärische Dynamik in 4xCO2-Experimenten, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-9, https://doi.org/10.5194/dach2022-9, 2022.

The recent release of the long-term ERA5 reanalysis data spanning from 1950 to present offers new opportunities for analysing trends and variability of stratospheric dynamics. For the first time, a 60 year period (1960-2020) can be analysed in reanalysis data and compared with chemistry-climate model simulations. The analyses of stratospheric circulation trends and seasonalities over this long time period can help us to better understand the long-term evolution of the Brewer-Dobson circulation (BDC), and the related inter-model differences and model dependencies. Therefore, this way an improved credibility in future projections of the BDC can be obtained.
We find that the global trend patterns of the temperature, zonal wind and residual vertical velocity agrees well between ERA5 and the multi model mean. However, differences occur in the width and altitude of the maximum trend. The tropical upwelling mass flux time series in the lower stratosphere of models and reanalysis disagrees at the beginning of the period, but they converge after around 1980. The agreement of the time series increases with altitude, where the QBO dominates the signal. Moreover, we find a generally good agreement in the zonal wind trends, although some differences are detected in the subtropical jet strength and upward shift, as well as in the polar vortex region where the models exhibit larger changes than ERA5. Another striking difference is the temperature trend in the tropical upper troposphere/lower stratosphere, where models show a more extended warming trend into the lower stratosphere. In this presentation, we show these results, put them in relation to what had been shown in previous studies for other time periods and discuss possible explanations for the differences as well as implications for the further evolution of the BDC.

How to cite: Eichinger, R., Diallo, M., Iglesias-Suarez, F., and Pisoft, P.: Stratospheric circulation trends in ERA5 reanalysis compared to climate models over 1960-2020, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-29, https://doi.org/10.5194/dach2022-29, 2022.