Dynamical coupling of the stratosphere and troposphere in a changing climate

Abstract

Der stratosphärische Polarwirbel ist in der Lage, bodennahe Bedingungen in der erweiterten Wintersaison erheblich zu beeinflussen. Induziert durch meridionale Temperaturgradienten, die sich zum Herbst hin entwickeln, bildet der Polarwirbel einen Wellenleiter, über den sich planetare Rossby-Wellen von der Troposphäre bis in die obere Stratosphäre ausbreiten können. Dissipieren diese Wellen, wird die gemittelte stratosphärische Strömung abgebremst und eine meridionale Zirkulation angetrieben. Darüber hinaus können aufwärts propagierende Rossby-Wellen auch reflektiert und sogar in die Troposphäre zurückgeführt werden, was mit einer begrenzten Geometrie des Wellenleiters zusammenhängt. Um die gekoppelte Reaktion von Stratosphäre und Troposphäre auf thermische Antriebe zu untersuchen, wird in dieser Arbeit ein idealisiertes Klimamodell verwendet. In einem ersten Experiment wird der Einfluss verschiedener Realisierungen des stratosphärischen Polarwirbels auf die Troposphäre untersucht und die Möglichkeit eines Regimewechsels von einem schwachen und variablen zu einem starken und stabilen Polarwirbel mit begrenzter Wellenleitergeometrie beschrieben. Ein zweites Experiment zeigt, dass ein ähnlicher Regimewechsel durch kritische Werte troposphärischer Erwärmung ausgelöst werden kann. Der entdeckte dynamische Mechanismus wird schließlich im Hinblick auf realistischere Klimamodelle diskutiert. Es zeigt sich, dass künftige Verstärkungen des südhemisphärischen Polarwirbels mit der Entwicklung einer begrenzteren Wellenleitergeometrie verbunden sind.