Towards Seamless Simulations of Polar Stratospheric Clouds and Ozone in the Polar Stratosphere with ICON-ART

Seit der Entdeckung des Ozonlochs über der Antarktis vor einigen Jahrzehnten ist die Repräsentation von Ozon in seinen zentralen Rollen als Treibhausgas und UV-absorbierendes Molekül in Chemie-Klima-Modellen ein wesentliches Ziel. Dabei ist die realistische Darstellung von polaren Stratosphärenwolken (PSCs, von engl. "polar stratospheric clouds'') unabdingbar, da diese in der Polarnacht eine Aktivierung von Chlorsubstanzen und irreversibles Ausfallen von stickstoffhaltigen Substanzen bewirken und damit den Ozonabbau im lokalen Frühling über der Antarktis erklären. Drei PSC-Typen werden anhand deren Zusammensetzung unterschieden: Salpetersäuretrihydrat-Partikel (NAT, von engl. ... mehr"nitric acid trihydrate''), unterkühlte ternäre Lösungstropfen (STS, von engl. "supercooled ternary solution'') und Eis-Partikel.

Globale Chemie-Klima-Modelle zur dekadischen Vorhersage von Ozon haben meist eine relativ grobe horizontale Auflösung von einigen hundert Kilometern. Dies hat zur Folge, dass Prozesse wie Schwerewellen hinter Gebirgen nicht aufgelöst werden können, da diese mit Wellenlängen von 100 km und weniger zu kleinräumig sind. Durch Leewellen entstandene PSCs haben jedoch einen signifikanten Einfluss auf die Ozonchemie, wodurch die Vorhersage des Ozonabbaus in diesen Regionen durch bisherige globale Chemie-Klima-Modelle eingeschränkt ist.

Das Modellsystem ICON-ART (ICON: ICOsahedral Non-hydrostatic, ART: Aerosols and Reactive Trace gases) bietet neben der Berechnung der atmosphärischen Zustandsvariablen in Skalen von einigen hundert Kilometern bis zu wenigen hundert Metern auch die Möglichkeit der lokalen Gitterverfeinerung mit Zwei-Wege-Interaktion. Dadurch können beispielsweise Regionen mit hoher Leewellenaktivität feiner aufgelöst werden, sodass in diesen Regionen die Leewelle direkt simuliert werden kann. Außerdem kann deren Effekt in die eigentlich zu grobe globale Auflösung zurückgeführt werden.

In dieser Arbeit wird ein neues Modul zur Mikrophysik von den bekannten drei PSC-Typen für ICON-ART erstellt und eingebaut. Die Ergebnisse des Moduls werden zunächst mit Reanalysedaten, Flugzeugmessungen und Satellitenmessungen verglichen. Es zeigt sich, dass mit der Implementierung des PSC-Schemas jetzt alle relevanten Prozesse im Modellsystem enthalten sind, um Ozon im Vergleich zu Satellitenmessungen realistisch zu repräsentieren.

Am Beispiel eines Leewellenereignisses im Juli 2008 an der Antarktischen Halbinsel wird gezeigt, dass sich im Modell große, Leewellen-induzierte PSC-Partikel bilden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass durch die dadurch höhere Chloraktivierung in der Leewelle mehr Ozon abgebaut wird.

Daher wird mit dieser Arbeit die Lücke zwischen direkt aufgelösten Leewellen-induzierten PSCs und global gröber aufgelösten Langzeitsimulationen geschlossen, in denen dieser Effekt bisher nicht simuliert werden konnte. Dadurch wird es infolge dieser Arbeit möglich sein, die zukünftige Entwicklung von Ozon, auch in der Interaktion mit dem Klimawandel, besser vorherzusagen.

Since the discovery of the ozone hole above Antarctica a few decades ago, the representation of ozone in its key role as greenhouse gas and UV radiation absorbing molecule is one of the central goals for chemistry climate models. In this context, the realistic treatment of polar stratospheric clouds (PSCs) is necessary because they lead to activation of chlorine species and irreversible removal of nitrogen-containing species that trigger the ozone depletion during local spring above Antarctica.Three PSC types are distinguished according to their composition: nitric acid trihydrate particles (NAT), supercooled ternary solution droplets (STS) and ice particles.
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Global chemistry climate models for the decadal prediction of ozone mostly have relatively coarse horizontal resolutions in the order of a few hundred kilometres. As a consequence, processes like gravity waves in the lee of mountains cannot be resolved, because of their relatively small wavelengths in the order of 100 km and lower. However, mountain-wave induced PSCs are known to have a significant influence on the ozone chemistry. Thus, the prediction of ozone in these regions with current global chemistry climate models is limited.

The ICOsahedral Non-hydrostatic (ICON) modelling framework with the extension for Aerosols and Reactive Trace gases (ART) provides the possibility to calculate the atmospheric state variables on scales from hundreds of kilometres down to a few hundred metres as well as local grid refinement with two-way interaction.With this, regions with high mountain wave activity can be simulated for example with locally higher resolution so that the mountain wave and PSCs formed therein can be directly resolved. In addition, their effect can be transferred to the coarse global resolution.

In this thesis, a new module for microphysics of the three known PSC types is created and integrated into ICON-ART. At first, the results of the module are evaluated with reanalysis data, airborne and satellite measurements. It is shown that with the implementation of a PSC scheme in ICON-ART, all relevant processes for the realistic representation of ozone in comparison to satellite measurements are included in the modelling system.

It is demonstrated for an exemplary mountain wave event in July 2008 around the Antarctic Peninsula that large, directly resolved mountain-wave induced PSC particles are formed. The results indicate that due to the higher burden of activated chlorine by mountain-wave induced PSCs, more ozone is depleted in the model.

Thus, the gap between directly simulated mountain-wave induced PSCs and the coarser global resolution, where this process cannot be represented, is closed with this thesis. As a consequence, the thesis results enable more precise predictions of ozone in the future, especially with respect to its interaction with climate change.