Long-term evolution of upper stratospheric ozone at selected stations of the Network for the Detection of Stratospheric Change (NDSC)

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1 Long-term evolution of upper stratospheric ozone at selected stations of the Network for the Detection of Stratospheric Change (NDSC) W. Steinbrecht et al. Journal of Geophysical Research, Vol S- Mittlere Atmosphäre

2 Übersicht Einleitung Datensätze Klimatologische Mittel Langzeit-Variationen Zusammenhang zu QBO und Sonne Zusammenfassung

3 Einleitung Die Ozonkonzentration in der oberen Stratosphäre wird beeinflusst durch verschiedene Faktoren. natürlich: QBO, 11-jähriger Sonnenfleckenzyklus, Temperaturvariationen, Variationen in der globalen meridionalen Zirkulation, Änderungen in der Konzentration von Wasserdampf, Methan, Stickoxiden anthropogen: Zerstörung durch Chlor, das in FCKWs enthalten ist: Abnahme des Ozons um 15% in den letzten zwei Jahrzehnten Nach Auflagen des Montreal-Protokolls (1987) erreichte Chlor- Konzentration ihr Maximum zwischen 1997 und 2002, das Niveau von 1980 wird voraussichtlich erst zwischen 2050 und 2060 wieder erreicht Untersuchung von Ozon-Langzeitvariationen anhand verschiedener Beobachtungs-Datensätze sowie einer Modellsimulation

4 Datensätze 1. Differential Absorption Lidar (DIAL) oder Mikrowellen- Radiometer 2. Solar Occultation: SAGE und HALOE 3. Backscattered Ultraviolet: SBUV 4. Chemistry Climate Model: MAECHAM4-CHEM NDSC- Stationen Satelliten- Daten Modell- Simulation

5 Differential Absorption Lidar (DIAL) 1. DIAL 2. Microwave 3. SAGE/ HALOE 4. SBUV 5. Modell messen die Ozon-Absorption einer atmosphärischen Schicht, indem die Signale von der Ober- und der Untergrenze der Schicht verglichen werden; bei zwei Wellenlängen 308nm: von Ozon absorbiert 353 oder 355nm: von Ozon sehr viel weniger absorbiert dient als Referenz gut geeignet für Langzeit-Messungen Genauigkeit eines Stratosphären-Ozon-Profils: 3% in 35km Höhe, 10% in 40km Höhe; nimmt mit der Höhe ab benötigen klare Nächte für Messungen

6 Mikrowellen-Radiometer 1. DIAL 2. Microwave 3. SAGE/ HALOE 4. SBUV 5. Modell nehmen Emissionsspektren von Ozon auf, bei 110 oder 142GHz druckabhängig Informationen über vertikale Ozonverteilung unabhängig von Wetterverhältnissen, Messungen rund um die Uhr möglich Genauigkeit von 7 bis 10%

7 Solar Occultation: SAGE und HALOE 1. DIAL 2. Microwave 3. SAGE/ HALOE 4. SBUV 5. Modell messen die Ozon-Absorption, indem bei Sonnenauf- bzw. untergang solare Spektren von verschiedenen Pfaden durch die Atmosphäre verglichen werden SAGE = Stratospheric Aerosol and Gas Experiment, sichtbarer Bereich um 600nm, HALOE = Halogen Occultation Experiment, infrarot bei 9,6μm, Genauigkeit besser als 5-10% zwischen 20 und 50km Höhe Messungen können nur dort und dann vorgenommen werden, wo und wenn die Sonne relativ zum Satelliten aufbzw. untergeht in den mittleren Breiten mehr Messungen im Winter als im Sommer

8 Backscattered Ultraviolet: SBUV 1. DIAL 2. Microwave 3. SAGE/ HALOE 4. SBUV 5. Modell SBUV = Solar Backscatter Ultraviolet instruments Ozonmenge wird bestimmt aus dem Verhältnis zwischen einfallender Sonnenstrahlung und rückgestreuter Nadir- Strahlung bei verschiedenen Wellenlängen im UV Strahlung niedriger Wellenlänge wird stärker von Ozon absorbiert Messungen über Tagseite der Erde Genauigkeit von 5 bis 10%

9 Klima-Chemie-Modell MAECHAM4-CHEM 1. DIAL 2. Microwave 3. SAGE/ HALOE 4. SBUV 5. Modell GCM MAECHAM4 gekoppelt mit Chemie-Modell CHEM MAECHAM4: global, vom Erdboden bis 0,01hPa (80km) T30 mit 39 vertikalen Levels Ozon aus Simulation, mit Berücksichtigung der Effekte von steigenden Chlor- und Treibhausgaskonzentrationen der QBO vulkanischer Aerosole aus den Ausbrüchen 1963, 1982 und 1991 des 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus

10 Klimatologische Mittel: Jahresgang Untere Stratosphäre: Ozon-Maximum im Spät- Winter; Erklärung: Brewer-Dobson-Zirkulation Mittlere Stratosphäre: Ozon-Maximum im Spät- Sommer (NH) bzw. Spät-Frühling (SH); Erklärung: photochemische Ozon-Produktion Obere Stratosphäre: Ozon-Maximum im Spät- Sommer (NH) bzw. Frühling und Spät-Sommer (SH); Erklärung (SH): nicht nur solare Einstrahlung, auch Reaktion aller Produktionsund Verlust-Mechanismen auf Jahresgang der Temperatur und anderer Spurengase Gute Übereinstimmung zwischen Beobachtungsdatensätzen, aber systematische Unterschiede zu ECHAM5: - Unten: zu schneller vertikaler Transport nach unten (Steil et al., 2003) 25% mehr Ozon - Oben: zu wenig Methan, zu viel ClO 12% weniger Ozon

11 Vertikalprofile: Unterschiede zu SAGE II Unterschiede von 1-2% oberhalb 40km aufgrund unterschiedlicher Messzeiten ECHAM: wie bei Jahresgang HALOE:kleine Abweichungen, konsistent über das Jahr und zwischen den Stationen; s. SPARC (1998) Allgemein: recht gute Übereinstimmung zwischen Instrumenten (innerhalb +-5% des SAGE-Profils) Lidar: unter 25km bis zu 5% geringer; Erklärung: messen häufiger bei Hochdruck ( mehr klare Nächte) niedrigere Ozon-Werte; 30-45km: geringere Werte, da Ozon 1-2% höher bei Sonnenauf- bzw. untergang (SAGE) als in der Nacht (Lidar) Unterschiede auch aufgrund versch. Prozessierungs-Algorithmen an den Stationen

12 Langjährige Variationen Ozon-Anomalien NH 35-45km Anomalien zum mittleren klimatologischen Jahresgang jedes Instruments; gleitende Mittel über fünf Monate grau: mittlere Anomalie aus allen Instrumenten an jeweiliger Station oben: solarer Fluss bei 10,7cm, unten: u- Wind-Anomalien in 40hPa alle Datensätze, die vor 1990 beginnen, zeigen deutlich eine Abnahme des Ozons in der oberen Stratosphäre allgemein liegen die Anomalien der einzelnen Datensätze sehr nah an der mittleren Anomalie der Station

13 Langjährige Variationen Ozon-Anomalien 35-45km alle Datensätze, die vor 1990 beginnen, zeigen deutlich eine Abnahme des Ozons in der oberen Stratosphäre allgemein liegen die Anomalien der einzelnen Datensätze sehr nah an der mittleren Anomalie der Station (SH) Anomalien zum mittleren klimatologischen Jahresgang jedes Instruments; gleitende Mittel über fünf Monate grau: mittlere Anomalie aus allen Instrumenten an jeweiliger Station oben: solarer Fluss bei 10,7cm, unten: u-wind-anomalien in 40hPa (Tabelle 2: Standard-Abweichung (1σ) der monatlichen Anomalien der einzelnen Instrumente von der mittleren Anomalie in % Ozon) - atmosph. Variabilität trägt mind. 1% zur STD bei - die meisten Instrumente können Monatsmittel der Ozon-Anomalien mit einer Genauigkeit besser als 4% messen

14 Unterschiede zwischen Instrumenten SBUV: Sprung um ca. 4% nach oben Übergang von NOAA 11 zu NOAA 9; leicht positiver Trend vor 1995 und nach 1997 Hawaii SAGE und HALOE: kein Trend Instrumentenfehler aufgrund fortschreitenden Alters

15 Drifts der Instrumente vor und nach Vor 1996: Instrumentenmittel fast ausschließlich SAGE und HALOE signifikante Drifts zeigen relative Änderungen der Instrumente zueinander - Ab 1997 Hawaii: s. Folie vorher; SAGE und HALOE zeigen nicht positiven Trend der anderen Instrumente - SAGE u.a. (Teilchenzahldichte vs. Höhe) negativer als SBUV (Mischungsverhältnis vs. Druck): Absenkung der Druckflächen durch Abkühlung

16 ECHAM-Simulation (35-45km, % Ozon/Dekade) Überschätzung der Ozon-Abnahme Erklärung: zu viel ClO in der oberen Stratosphäre zerstört zu viel Ozon

17 Ozon-Trends, QBO und 11-jähriger Sonnenfleckenzyklus Langzeit-Abnahme um -4 bis -8%/Dekade + QBO: Variationen um 5-10%; Peaks fallen zusammen mit Westwindphase in 40hPa Sonne: Variationen um 5%; Stufenfunktion: Perioden mit annähernd konstantem Ozon fallen zusammen mit Anstieg des solaren Flusses, Ozon-Abnahme bis 7% während Abnahme des solaren Flusses

18 Abschätzung der QBOund Sonneneffekte

19 Ozon-Residuals Beginnende Erholung der Ozon-Schicht wird deutlich (außer in Hpberg)

20 Zusammenfassung Unterschiede zwischen den klimatologischen Ozon-Mitteln von Lidar, Mikrowellen-Radiometern, SAGE und HALOE sind generell kleiner als 5% zwischen 35 und 40km Höhe. Signifikante Unterschiede gibt es zwischen einigen Lidar-Stationen und oberhalb von 40km. Erklärung: unterschiedliche Prozessierungs-Algorithmen. Fast alle Instrumente zeigen eine sehr ähnliche Entwicklung des Ozons in der oberen Stratosphäre in den letzten 10 bis 25 Jahren. Das MAECHAM4- CHEM simuliert diese Entwicklung gut, aufgrund von einer Methan- Unterschätzung und einer daraus resultierenden ClO-Überschätzung sind allerdings die Ozon-Konzentrationen in der oberen Stratosphäre zu hoch und die Abnahme über die Zeit zu stark. Ozon in der oberen Stratosphäre zeigt drei Haupt-Variationen Durch die QBO: 5-10% Variation auf 2-3-Jahresskala, hauptsächlich im Winter 11-jähriger Sonnenfleckenzyklus: Variation um 5% Langzeit-Abnahme um 10-15% seit 1980 aufgrund Ozon-Zerstörung durch anthropogenes Chlor; evtl. Anzeichen von beginnender Ozon-Erholung, aber nicht eindeutig, da Signal vom Maximum des Sonnenfleckenzyklus beeinflusst ist

21 ENDE

22

23 Chlor

24 Solar Occultation: SAGE und HALOE 1. DIAL 2. Microwave 3. SAGE/ HALOE 4. SBUV 5. Modell messen die Ozon-Absorption, indem bei Sonnenauf- bzw. untergang solare Spektren von verschiedenen Pfaden durch die Atmosphäre verglichen werden SAGE = Stratospheric Aerosol and Gas Experiment, sichtbarer Bereich um 600nm, HALOE = Halogen Occultation Experiment, infrarot bei 9,6μm, Genauigkeit besser als 5-10% zwischen 20 und 50km Höhe selbst-kalibrierend Messungen können nur dort und dann vorgenommen werden, wo und wenn die Sonne relativ zum Satelliten aufbzw. untergeht in den mittleren Breiten mehr Messungen im Winter als im Sommer Für Auswertung: mittlere Profile für +-7,5 -Breite- und Länge-Boxen um Station bzw. zonale Mittel über 10 - Breite, zentriert von 45 S bis 45 N ftp://ftp-rab.larc.nasa.gov/pub/sage2/v6.20,

25 Höhenprofile der Lidarund Mikrowellen-Stationen Lidar: unterhalb von 35km: sehr ähnlich, geringe Unterschiede zu SAGE; oberhalb von 35km: größere Unterschiede speziell bei den less powerful systems Hohenpeissenberg und Haute Provence; s. SPARC (1998); Erklärung: systematische Unterschiede in Prozessierungs-Algorithmen Mikrowellen-Radiometer: Übereinstimmung unterhalb von 45km allgemein besser als 5%; Erklärung: Unterschiede in retrieval- Algorithmen, Unsicherheit bei der Konvertierung der Einheiten (Bordeaux), Unterschiede im Messverfahren, Tagesgang des Ozons oberhalb 40km