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Abstract:
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.
Abstract:
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.
