Nordatlantische Variabilitat in einem Ozeanzirkulationsmodell im Zeitbereich von Dekaden

Das Hamburger großskalig-geostrophische (LSG) Ozeanzirkulationsmodell wurde mit monatlichen Klimatologien der Lufttemperaturen, der Windschubspannungen und der Frischwasserflüsse angetrieben. Um den Einfluß von kurzperiodischen atmosphä- rischen Störungen auf den Ozean zu repräsentieren, wurden den klimatologischen Frischwasserflüssen stochastische, zeitlich weiße und räumlich kohärente, Anomalien überlagert. Das Modell reagiert auf diesen Antrieb mit einer erhöhten Variabilität im Zeitbe- reich von Dekaden im Nordatlantik, die sich am ståirksten in der Wärmeabgabe des Oze- ans an die Atmosph¿ire, in der mittleren Meridionalzirkulation des Atlantiks sowie im Salzgehalt der oberflächennahen Schichten des Nordatlantiks und der Labradorsee manifestiert. Ein Großteil dieser erhöhten Variabilität kann durch die Integration der zeitlich weißen Frischwasserflußanomalien in der Labradorsee und ihre advektive Dämpfung beschrieben werden. Der Dämpfungsterm des Integrationsprozesses und damit die charakteristische Zeitskala der Variabilität sind durch die mittlere Ver- weildauer eines Wasserpartikels in den oberflächennahen Schichten der Labradorsee im Modell gegeben. Sie werden durch die topographischen und hydrographischen Eigen- schaften dieses Gebietes bestimmt und lassen sich im Modell mit etwa 10 Jahren abschätzen. In einer Reihe von Sensitivitätsexperimenten wurde die Bedeutung des lokalen Frischwasserflußantriebs der Labradorsee als Quelle der nordatlantischen Variabilität im Zeitbereich von Dekaden im LSG-Modell bestätigt und die Details der Ausbreitung der durch die Frischwasserflußintegration erzeugten Salzgehaltsanomalien untersucht. Es zeigte sich, daß der beschrieben Mechanismus ein hochgradig komplexes und nichtli- neares Phänomen darstellt, dessen Entwicklung stark vom momentanen Zustand des Systems abhängt

Modellierung des gekoppelten Systems Ozean-Atmosphäre in den Tropen: Eine zusammenfassende Beschreibung der Arbeiten Latif et al., 1985; Latif, 1987; Latif, 1988; Latif et al., 1988a,b; Barnett et al., 1989 und Latif et al., 1989

Die als ENSO bekannten Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre in den Tropen wurden mit Hilfe ozeanischen und atmosphärischer Modelle der allgemeinen Zirkulation untersucht. Dabei wurden die Modelle sowohl im urıgekoppelten Modus unter Vorgabe realistischer Randbedingungen als auch im gekoppelten Modus betrieben. Grundlage der vorliegenden (1985), Latif (1987). Latif (1989), Latif et al. (1989). sind folgende Arbeiten: Latif et al. Latif et al. (1988a,b), Barnett et al. Abhandlung (1988), Die Ergebnisse der Rechnungen- zeigen, daB die Modelle Variationen der für die Wechselwirkung entscheidenden Größen Meeresoberflächentemperatur (SST) und Windschub realistisch simulieren, wenn die jeweiligen Randbedingungen aus Beobachtungen vorgeschrieben werden. So konnten SST Anomalien bei Vorgabe beobachteter Windschubfelder über Jahrzehnte hinweg erfolgreich von einem ozeanischen Zirkulationsmodell simuliert werden. Die mit den Teınperaturanoınalien einhergehenden simulierten Wasserstands- und Strörnungsanomalien sind ebenfalls mit den wenigen verfügbaren Messungen konsistent. Umgekehrt 16-jährigen angetrieben. Muster' der Tropen. Die jedoch deutli wurde ein atmosphärisches Zirkulationsmodell während einer Simulation mit beobachteten Meeresoberflächentemperaturen Das Modell liefert eine realistische Beschreibung der räumlichen interannualen Variationen des oberflächennahen Windfeldes in den Amplituden dieser niederfrequenten Variationen werden vom Modell ch unterschätzt. Beide Zirkulationsmodelle wurden dann zu einem Ozean-Atmosphärenmodell zusammenkoppelt. In einem ersten Experiment wurde über dem tropischen Westpazifík eine Windstörung eingebracht und die Antwort des gekoppelten Systems auf diese.- Anfangsstörung untersucht. Es konnte gezeigt werden, daß die Kopplung von Ozean und Atmosphäre der entscheidende Faktor für die Persístenz von Anomalien der Meeresoberflächentemperatur ist. Das gekoppelte Zirkulationsrnodell wurde dann für eine Dauer von zehn Jahren integriert, um die natürliche Variabilität im gekoppelten System zu bestimmen. Interannuale Variabilität in Äquatorııhe wird im gekoppelten System erheblich unterschätzt. Weiterhin zeigt das gekoppelte Modell eine Klimadrift in Form einer Abkühlung des oberen Ozeans in dieser Region. Außerhalb der äquatorialen Zone ist die simulierte interannuale Variabilität von der gleichen Größenordnung wie in den Beobachtungen. Das gekoppelte Zirkulationsmodell wurde außerdem dazu verwendet, die Hypothese zu testen, daß eine anomale Schneebedeckung iiber. Eurasíen El Niko Ereignisse auslösen kann. Dazu wurde der Schneefall über Eurasien verdoppelt und die Antwort des gekoppelten Systems auf die Änderung der Schneefallrate untersucht. Es entwickelten sich im darauffolgenden Sommer positive SST Anomalien im äquatorialen Pazifik. Zu diesem Zeitpunkt waren die simulierten Bedingungen in Ozean und Atmosphäre den während der Anfangsphase von El Niko Ereignissen beobachteten sehr ähnlich. Danach kehrte das gekoppelte Modell allerdings ziemlich schnell in den Normalzustand zurück, was möglicherweise auf die Entkoppelung von Ozean und Atmosphäre durch die Klimadrift zurückzuführen ist. Schließlich wurden vereinfachte gekoppelte Modelle erstellt, mit denen u. a. die Sensitivität der gekoppelten Systeme bzgl. der Wahl der Kopplungskonstanten untersucht wurde. Diese Modelle wurden ebenfalls für die ENSO Vorhersage verwendet. Dabei zeigte sich, daß zumindest das ENSO Ereignis der Jahre 1982/1983 einige Monate im voraus vorhergesagt werden konnte

Simulationen zur Bildung und Entwicklung von stratosphärischem Aerosol unter besonderer Berücksichtigung der Pinatuboepisode

Im Rahmen dieser Arbeit ist ein mikrophysikalisches Modell des stratosphärischen Aerosols für das dreidimensionale Zirkulationsmodell ECHAM entwickelt worden. Eine Grundlage des stratosphärischen mikrophysikalischen Modells ist die weitgehend explizite Beschreibung der wesentlichen Parameter des binären Systems in Abhängigkeit von Temperatur und Partialdrücken. In dem Modell selbst werden homogene Nukleation, Kondensation von HzO und H2SOa, Koagulation und Sedimentation berücksichtigt. Für eine Boxversion des mikrophysikalischen Modells sind Sensitivitätsstudien durch- geführt worden. Sie zeigen eine gute Ûbereinstimmung der berechneten Hintergrund- aerosol-Gleichgewichtsverteilung mit den beobachteten Werten. Das mikrophysikalische Boxmodell ist desweiteren in der Lage, das zeitliche Verhalten des stratosphärischen Aerosols nach einer vulkanischen Störung in guter Näherung zu Beobachtungswerten zu simulieren. Es zeigt sich dabei, daß unabhängig von der St¿irke der Störung der Hintergrundwert nach vier bis fünf Jahren wieder erreicht wird. Sensitivitätsstudien in Abhängigkeit von den Eingabedaten zeigen, daß bei einer Temperatur- und einer HzO-Änderung ein anderes Muster in den simulierten Aerosolgrößenverteilungen her- vorgerufen wird als bei einer Änderung der SOz-Konzentration. Für die globale Modellierung ist das mikrophysikalische Modell um ein einfaches Mo- dul für die stratosphärische Schwefelchemie erweitert worden. Darüber hinaus ist das mikrophysikalische Modell mit einem troposphärischen Schwefelkreislauf gekoppelt wor- den, wodurch für das stratosphärische Aerosol global und jahreszeitlich verschiedene tro- posphärische SOz- und SOI--Quellen berücksichtigt werden können. Erste Ergebnisse der dreidimensionalen Modellierung zeigen, daß das Modell die beobachteten Massenkon- zentrationen und Oberflächenverteilungen in der richtigen Größenordnung reproduzieren kann. Die Bildung neuer Teilchen durch homogene Nukleation wird hauptsächlich von der Temperatur bestimmt, und findet in der unteren tropischen Stratosphäre sowie in den polaren Gebieten im Frühjahr statt. In einem weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit sind mit der ECHAM4-Ll9-Version tran- siente Pinatuboexperimente mit prognostischem Sulfataerosol durchgeführt worden. Bei den assimilierten Pinatubosimulationen zeigt sich die generelle Schwierigkeit von Gitter- punkts- und spektralen Modellen, den in der Stratosphäre auf isentropen Flächen statt- findenden großräumigen Transport zu simulieren. Durch die Einführung einer Reduzie- rung des vertikalen Transports auf einer isentropen Fläche von 380 K, die die Grenze zwischen stratosphärischer Ober- und Unterwelt markiert, ist jedoch im Rahmen dieser Arbeit eine wesentliche Verbesserung für den stratosphärischen tacertransport erzielt worden.A microphysical model for stratospheric aerosol has been developed and implemented in the climate model ECHAM4. The fundamental basis of the microphysical model is the explicit description of the essen- tial parameters of the binary HzSOa/HzO system dependent on temperature and partial pressure. The following processes are solved: Homogeneous nucleation, condensation, coagulation, water-vapor growth incl. the Kelvin effect and sedimentation For a box version of the microphysical model sensitivity studies were carried out. For the background aerosol the results of the sensitivity studies are in good agreement with observations. F\rrthermore the microphysical box model is able to simulate the temporal development of stratospheric aerosol after an volcanic eruption in good approximation to observed data. Independently of the strength of the volcanic disturbance, four to five years after the eruption the background level is reached again. Sensitivity studies dependent on the initial parameters also show a different pattern in the simulated aerosol distribution for temperature and water vapor changes, than for changes in the SOz and OH concentration. For the global modeling the microphysical model is extended with a module of stra- tospheric sulfur chemistry. Additionally, the microphysical model is coupled to a tro- pospheric sulfur cycle. Due to this combination global and seasonal different SO2- and SO!--sources for stratospheric aerosol could be taken into account. First results of the 3d-simulation show that the model is able to reproduce the observed aerosol mass mixing ratio and the surface concentration by a factor of two. The for- mation of new particles through homogeneous nucleation is mainly determined by the temperature and takes place in the lower stratosphere and in polar spring. A different emphasis of this work is transient Pinatubo simulations with the ECHAM4 L19 model and with prognostic sulfate aerosol. These assimilated Pinatubo simulation shows the general difference of gridpoint and spectral models to simulate the large scale isentropic transport. Due to the introduction of a reduced advective vertical transport through the 380 K isentropic layer, a substantial improvement in the stratospheric tracer transport has been made

ENSO induzierte Variabilität im Indischen Ozean

Die niederfrequente Variabilität in den Tropen wird auf Zeitskalen von einigen Jahren vom El Ni,ño - Southern Osci,llati,on (ENSO) - Phänomen bestimmt. Die Untersuchungen atmosphäri- scher und ozeanischer Parameter im Indischen Ozean haben im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, daß auch in diesem Weltmeer ein signifrkantes ENSO - Signal in der Meeresoberflächentempe- ratur (SST) nachweisbar ist. Verglichen mit dem Pazifik ist es erheblich schwächer, tritt aber mit dem gleichen Vorzeichen und mit nur geringer zeitlicher Verzögerung auf. Warmphasen von ENSO werden im Indischen Ozean von äquatorialen Ostwinden und abnehmender Kon- vektion begleitet. Aus atmosphärischen Daten und der SST konnte die Hypothese abgeleitet werden, daß das ENSO - Signal durch die Walker - Zirkulation in den Indischen Ozean übertragen wird. Es erwies sich als nicht möglich, anhand der Beobachtungen zu entscheiden, welche Prozesse zu den großräumigen Schwankungen der SST führen. Deshalb ist in dieser Studie die Wirkung von veränderten atmosphärischen Randbedingungen auf die SST mit Hilfe eines ozeanischen Zirkulationsmodells untersucht worden. Das ENSO - Phänomen erklärt auch in den Simulationen einen relativ großen Anteil der Va- riabilität. Die Variabilitätsmuster sind mit den Beobachtungen konsistent, aber das Signal ist insgesamt schwächer. Insbesondere reagiert das Modell auf die mit Warmereignissen einherge- henden Ostwindanomalien sehr empfindlich mit äquatorialem Auftrieb, der die Erwärmung entlang des Aquators abschwächt. Eine überhöhte Sensitivität des Modells bezüglich des Windantriebs konnte in diesem Zusammenhang nicht nachgewiesen werden. Weitere Untersuchungen zeigten, daß der Windantrieb lediglich in einigen Regionen der be- stimmende Parameter für die Variabilität der SST ist. Dies gilt insbesondere für den Bereich des südhemisphärischen Subtropenwirbels. Durch Vergleich mit einem einfachen Deckschicht- modell gelang es, Regionen zu identiflzieren, in denen advektive Prozesse von großer Bedeu- tung sind. Ihre Einbeziehung führt in den Gebieten südlich von Indien und im westlichen Indischen Ozean zu Verbesserungen. In den östlichen Regionen und zwischen 5oS - 10o,9 ist der entgegengesetzte trffekt zr verueichen. Während eines warmen ENSO - Extrems wirkt der Nettostrahlungsfluß in den östlichen Ge- bieten als zusätzliche positive Rückkopplung auf die SST. Mit Hilfe einer idealisierten Ano- malie im Nettostrahlungsfluß gelang es, die Simulation der SST in diesen Regionen deutlich zu verbessern. Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, den Anteil der Variabilität zu simulieren, der durch den BNSO - Mechanismus verursacht wird. Es erwies sich als nicht möglich, den gesamten ENSO - Prozeß mit einem Antriebsmechanismus zu erklären. Die Beurteilung der verschie- denen Einzelprozesse gestaltet sich aufgrund der unzureichenden Datenbasis sehr schwierig. Hinzu kommt die geringe Amplitude der untersuchten Variabilität. Die Schwankungen lie- gen bei einigen Größen im Bereich des Meßfehlers. Eine bessere Datenbasis ist frir weitere Untersuchungen unab dingbar

Changes in the seawater salinity-oxygen isotope relation between last glacial and present: sediment core data and OGCM modelling

The presently available paleotemperature data implies large ice-free areas in the Greenland- Iceland-Norwegian Seas during the Last Glacial Maximum 21 600 yr BP. From these temperatures and the independent measurements of oxygen isotope ratios of fossil foraminiferal shells, glacial sea surface salinities could be computed, if the glacial relation between salinity and water isotope ratio was known. For this study, a three-dimensional numerical ocean circulation model was employed to investigate the possible shape of this still not precisely known relation, and to reconstruct a physically consistent scenario of the northern North Atlantic for the glacial summer. This scenario turned out to be quite similar to modern winter conditions, whereas the required salinity vs. oxygen isotope relation of this time must have been very different from its modern counterpart

Untersuchung zur niederfrequenten Variabilität der Meeresoberflächentemperatur im Nordpazifik

Ein hochauflösendes ozeanisches Zirkulationsmodell wird mit beobachteten monatlich gemittelten Winden angetrieben, um die niederfrequente Variabilität der Meeresobeı'fllächen= temperatur (SST) im Nordpazifik zu untersuchen. Der Einfluß anomaler Kalt- bzw. Warmluftadvektion auf den turbulenten Wärmeaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre wird mit Hilfe eines advektiven Modell der Lufttemperatur parametrisiert. Die beobachteten ersten beiden Empirischen Orthogonal= funktionen (EOF) zeigen großräumige Muster, die Zentren negativer Korrelation liegen ca. 2500-6000km auseinander. In der Simulation werden sehr ähnliche Muster gefunden und auch die zugehörigen simulierten Zeitserien stimmen im Winter gut mit den Beobachtungen überein. Die lange Lebensdauer der winterlichen Anomalien (etwa vier bis sechs Monaten) sowie die erheblich geringere Persistenz sommerlicher Anomalien werden im Modellexperiment ebenfalls wiedergegeben. Auch lokal zeigen sich gute Übereinstimmungen zwischen beobachteten und simulierten SST-Anomalien: Die simulierte winterliche SST ist signifikant mit den Beobachtungen korreliert, und die beobachtete hohe Variablität nahe 40oN wird reproduziert. Die numerischen Wärmeaustausch Ursache der ist. Nur in Transporte im ein Drittel). Ozean auf die Experimente zeigen, daß der turbulente zwischen Ozean und Atmosphäre die wesentliche niederfrequenten SST-Variablität im Nordpazifik der Kuroschio-Region tragen auch advektive Ozean nennenswert zur SST-Änderung bei (etwa Die Wirkung turbulenter Mischungsprozesse im SST ist vernachlässigbar. Wird das Modell mit einem trieben, in dem das dominate synthetischen Windfeld ange= tropische BL Nino-Südliche Oszillation (Enso)-signal isoliert wurde, so ergeben sich großräumige SST-Anomalien, die hoch mit dem dazu gehörigen Index (SOI: Index der Südlichen Oszillation) korreliert sind. Das Muster der Korrelation zwischen simulierter SST und SOI reproduziert sehr gut die Beobachtungen. Die durch ENSO erklärbare Varianz im Bereich des Nordpazifiks ist allerdings gering, sie liegt bei 10% bis 20%