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Transport und Mischung in der Tropischen Tropopausenregion

By Carine Homan

Abstract

The TTL is the transition layer between the tropical troposphere and stratosphere, and is the main region where tropospheric air enters the stratosphere. In this thesis different transport processes are studied by using in situ measurements of tracers. Long-lived tracers were measured with the High Altitude Gas Analyzer (HAGAR) on board the M55 Geophysica aircraft. The instrument was developed by the University of Frankfurt and measures the long-lived tracers CO2, N2O, CFC-12, CFC-11, H-1211, SF6, CH4 and H2 with two gas chromatographic channels and a CO2 sensor (LICOR). The measurements are supported by CO and O3 measurements of other instruments. Two campaigns were conducted to obtain measurements in the TTL: SCOUT-O3 (November/December 2005 in Darwin, Australia) and AMMA-SCOUT-O3 (August 2006 in Ouagadougou, Burkina Faso). After a general introduction of the thesis in chapters one and two, the third chapter describes the findings during this last campaign. Five local flights are analyzed to study the different transport processes that occur in the tropical tropopause layer above West-Africa: deep convection up to the level of main convective outflow, vertical mixing after overshooting of air in deep convection, horizontal inmixing from the extratropical lower stratosphere, and horizontal transport across the subtropical barrier. Main findings are that the TTL over West-Africa is mostly influenced by remote convection. The subtropical barrier is not a strong barrier but more a region of transition between the extratropical and the tropical stratosphere. Chapter 4 presents the results obtained during the SCOUT-O3 campaign. From the eight local flights the last four flights (051129, 051130a, 051130b, 051205) show enhanced values of ozone, CO and CO2 between 355 and 380 K potential temperature in comparison with the first four flights (051116, 051119, 051123, 051125). Horizontal inmixing from the extra-tropical stratosphere and influence of the local convective system Hector cannot explain the enhanced values of the two flights on 30 November Therefore, other possible explanations for these enhanced CO, CO2 and ozone levels are proposed. The first explanation is vertical mixing in the vicinity of the jet stream. However, the jet cannot explain the differences between the flights on 30 November and the flights on 29 November and 5 December. Another possible explanation is influence of polluted boundary layer air masses from the Indonesian region. Especially air sampled during the flights on November 30 crossed large parts of northern Indonesia between 8 and 10 days before the measurements. Convective uplift of biomass burning and other pollution plumes can transport CO and ozone precursors into the upper troposphere, where they can significantly enhance the ozone production. The last chapter deals with the vertical ascent rate in the TTL and uses measurements of both the SCOUT-O3 and AMMA-SCOUT-O3 campaign as well as data from previous aircraft campaigns (TROCCINOX and APE-THESEO). Time scales and residence times for mean vertical transport in the background TTL are estimated for different seasons and over different geographic regions using in situ observations of CO2 and long-lived tracers. The vertical transport time scales are constrained using the seasonal variation of CO2 in the tropical troposphere as a “tracer clock” for vertical ascent. Two methods are applied to calculate the residence time in the layer between 360 and 390 K potential temperature. The first method uses the slope of the CO2 index, the second method fits the CO2 index directly to the measurements assuming a constant ascent rate. The first method yields residence times for Australia,West Africa, and Brazil of the same order, 35-45 days to 380 K and 50 days to 390 K (where no value can be derived for Australia as the slope is changing approximately one month before the campaign). For APE-THESEO, the method does not yield reasonable results. The best estimates using the second method show moderate residence times between 360 and 390 K of 60±25 days SCOUT-O3 (NH autumn) and 43±8 days for AMMA/SCOUT-O3 (NH summer). These results agree well with the results calculated using the first method. For APE-THESEO and TROCCINOX the best fits yield shorter residence times of 23±7 and 40±10 days, respectively, both during winter. These results correspond well to the expectations based on the seasonal variation of the Brewer-Dobson circulation.Diese Doktorarbeit beschreibt die verschiedenen Transportprozesse in der Tropische Tropopausen Region, der Übergangsregion zwischen der Troposphäre und der Stratosphäre in den Tropen. Dazu wurden zwei Messkampagnen durchgeführt: die SCOUT-O3 Tropical Aircraft Campaign in November und Dezember 2005 in Darwin, Australien (12°S, 130°E) und die AMMA/SCOUT-O3 Kampagne in August 2006 in Ouagadougou, Burkina Faso. Die Messungen wurden mit dem High Altitude Gas AnalyzeR (HAGAR) an Bord des Höhenforschungsflugzeug M55 Geophysica durchgeführt. Der HAGAR beinhaltet zwei in-situ Gaschromatographen, die zur Messung der langlebiger Spurengase N2O, CFC-12, CFC-11, H-1211 (CBrClF2), SF6, CH4, H2 verwendet werden, und ein LI-COR, das mit Hilfe von IR-absorption CO2 misst. Zusätzlich wurden die Konzentrationen von Ozon (mit Hilfe des Fast Ozone Analyzer) und CO (mit dem Cryogenically Operated Laser Diode Messgerät) gemessen. Bei der AMMA/SCOUT-O3 Kampagne wurden fünf lokale Flüge analysiert um die dominierenden Transportprozesse in der TTL zu studieren: tiefe Konvektion bis zum Level of main convective Outflow, Vertikalmischung nach überschießender Konvektion, isentrope Mischung entlang der subtropischen Tropopause, und horizontaler Transport in der Region der subtropischem Barriere. Die Resultate zeigen, dass der konvektive Einfluss in der untersuchten TTL-Region sehr signfikant ist, aber dass der größte Teil der gesammelten konvektiv beeinflussten Luftmassen älteren Ursprungs sein muss (mehrere Tage). Der Einfluss von überschießender Konvektion und Stratosphärische Einmischung von photochemisch gealterter Luft aus der extratropischen Stratosphäre ist sehr gering. Die subtropische Barriere zeigt sich nicht als eine scharfe Grenze in der Spurengasverteilung, sondern eher wie eine Übergangsregion zwischen ungefähr 10° und 25°N. Von den acht lokalen Flügen während der SCOUT-O3 Messkampagne weisen die vier letzten Flüge (051129, 051130a, 051130b, 051206) im Niveau zwischen 355 und 380 K potenzieller Temperatur im Vergleich mit den ersten vier Flügen (051116, 051119, 051123, 051125) erhöhte Ozon-, CO- und CO2-Werte auf. Horizontale Einmischung aus der extratropischen Stratosphäre und Einfluss vom lokalen konvektiven System können die erhöhten Werte für die beiden Flüge am 30. November nicht erklären. Eine mögliche Erklärung ist gegeben durch vertikale Mischung in der Nähe des Jetstreams. Der Jet kann aber nicht die einzige Erklärung der erhöhten Werte sein, weil am 29. November die Luftmassen auch entlang des Jets transportiert wurden, die Messungen aber deutlich niedrigere Erhöhungen zeigen. Eine andere mögliche Ursache liegt im Einfluss von verschmutzten Grenzschicht-Luftmassen über Indonesien und Australien. Insbesondere die Rückwartstrajektorien der Flüge vom 30. November überqueren große Teile von Nord-Indonesien. Konvektion von Biomass Burning Plumes und anderen Luftverschmutzungen kann CO und Ozonvorläufer in die TTL transportieren und dort für erhebliche Ozonproduktion sorgen. Das letzte Kapitel behandelt die vertikale Aufstiegsgeschwindigkeit in der TTL und benutzt Messungen von sowohl der SCOUT-O3 und AMMA/SCOUT-O3 Kampagne, als auch von früheren Messkampagnen, namentlich die TROCCINOX und APE-THESEO Kampagnen. Zeitskalen und Verweilzeiten für vertikalen Transport in der Hintergrund-TTL wurden für verschiedene Jahreszeiten und verschiedene geographische Regionen mit Hilfe von CO2 Messungen und langlebigen Spurengase abgeschätzt. Die vertikalen Transportzeiten wurden anhand der zeitlichen Verzögerung der saisonalen Variation von CO2 bestimmt. Zwei Methoden werden angewandt um die Verweilzeit zu bestimmen. Die erste Methode benutzt den mittleren zeitlichen Gradienten von CO2 in der tropischen Troposphäre ("CO2-Index") über mehrere Monate, die zweite Methode arbeitet mit direktem Anpassen des CO2-Index an die Messdaten unter Annahme einer konstanten Aufstiegsgeschwindigkeit als Fit-Parameter. Die erste Methode liefert Verweilzeiten in Australien, Brasilien und Westafrika die liegen in der gleichen Größenordnung, 35-45 Tage bis zu 380 K und 50 Tage bis zu 390 K. Für APE-THESEO konnte kein Resultat berechnet werden. Die zweite Methode zeigt moderate Verweilzeiten von 60 ± 25 Tagen zwischen 360 und 390 K für SCOUT (NH-Herbst) und 43 ± 8 Tagen für AMMA/SCOUT-O3 (NH-Sommer). Diese Resultate stimmen gut mit den Resultaten der ersten Methode überein. Für APE-THESEO und TROCCINOX haben die besten Fits höhere Verweilzeiten von 23 ± 7 und 40 ± 10 Tagen, beide während dem Nordhemisphären-Winter. Die Resultate sind in Einklang mit der jahreszeitlichen Variation der Brewer-Dobson Zirkulation

Topics: Stratosphäre, Troposphäre, Dynamik, Meteorologie, Tropen, TTL, ddc:550
Year: 2011
OAI identifier: oai:publikationen.ub.uni-frankfurt.de:20748

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