Institut für

Physik der Atmosphäre

Current Version; CCM E39/C Future: ECHAM5/MECCA

Surface, aircraft, lightning

NOx Emissions [Tg N/a]

RadiationLong-waveShort-wave

Chemical Boundary Conditions

Atmosphere: CFCs, at 10 hPa: ClX, NOy,

Surface: CH4, CO

Chemistry (CHEM)Methane oxidation

Heterogeneous Cl reactionsPSC I, II, aerosolsDry/wet deposition

Photolysis

Feedback

O 3, H

2O, C

H 4, N

2O, C

FCs

Prognostic variables (vorticity, divergence, temperature, specific humidity, log-surface pressure, cloud water),

hydrological cycle, diffusion, gravity wave drag, transport of tracers,

soil model, boundary layer;sea surface temperatures.

T30, 39 layers, top layer centred at 10 hPaDynamics (ECHAM)

Hein et al., 2001

Lagrangian Transport

ATTILAStenke&Grewe 2005

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Evolution of ozone column [DU]: 1960 - 2000

1960

20001980

1980

Ozone hole

Highvariability

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Grewe, 2004

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Ozone influx: ozone origin

Northern Hemisphere: Ozone mainly

produced in NHMS TRMS TRTS

NHMS: high inter-annual variability

Southern Hemisphere: Ozone mainly

produced in TRTS SHMS TRLS

SHMS low inter-annual variability

solar cycle visibleGrewe, 2005

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The lightning NOx source

Kurz and Grewe, 2002

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Variability and trends in the tropical UT: ENSO

(ppmv)Longitude

MLS H2O, UT, Tropics E39/C H2O, 200 hPa,Tropics

150E 90W

Model reproduces individual strong events almost identical, e.g. 1995/96, 1997/98

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Marked ozone tracers in a NMHC-model: MOZART-2

1890 1990

anthropogenic

natural

stratosphere

Lamarque et al., 2005

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Ozone changes in the tropical upper troposphere (30S-30N; 500-200 hPa)

Lightning:

• most important source for ozone

• Large contrib. to variability

Stratospheric ozone

second most important source

From 1990 Industry and

surface transportation

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De-seasonalized ozone changes in the tropical UT

Stratospheric ozone follows

influx from stratosphere, producing

±2% variability out of a

totale interannual var. of ±4%

Lightning ozone

correlated with Nino Index

variability: ±1-2%

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Evolution of ozone in NH lower troposphere (30N-90N; 500-1000 hPa)

Most important sources: Industry, surface transportation,

lightning, stratosphere

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Evolution of de-seasonalized ozone in NH lower troposphere (30N-90N; 500-1000 hPa)

Year-to-year variability strongly dominated by stratosphere (±5%) Trend in ozone (25% increase):- results from increase in NOx emissions (Industry and traffic)

- Trend reduction in 80s caused by lower emissions and lower stratospheric contribution.

~25%

~30%

-5%

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Conclusion (1) • Stratosphere

realistical variability of dynamics realistical ozone trend (10% by H2O trend Stenke&Grewe, 2005)

Interannual ozone-variability well reproduced (DWD-Ozonbulletin) Validation mainly based on direct comparison with observation (TOMS, ...)

• Stratosphere-Troposphere Exchange ozone influx diagnosed, solar cycle influences variability different ozone origins for STE on NH and SH results in different variability

Findings based on special diagnostics: ozone origin

• Troposphere inter-annual variability in ozone attributed to sources NH ozone trend: Industry+Traffic (+30%), slower in 80s

Reduction in 80s, caused by Strat-O3

Findings based on special diagnostics: ozone emission relation (tagged tracers)

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Conclusion (2)

The identification of climate-chemistry interactions,

e.g. 'How does climate change chemistry?'

largely depends on additional diagnostics.

2 Diagnostics presented

a) Ozone origin diagnostic

b) Ozone - emissions source relation

How well do we understand these processes:

a) How much of the ozone in the troposphere is originally produced

e.g. in the tropics 30 km?

b) How much ozone is produced e.g. by lightning?

Model intercomparison would help to understand these processes.

Observational data maybe partly available.

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Overview

MotivationModell / Experiment

Stratosphere:Circulation: ValidationChemistry: Ozone: What determines its variabilityImpact on the troposphere

TroposphereNOx and LightningOzone Trends

Summary

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Änderungen des Tropopausendrucks

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Änderungen des Wasserdampf-Mischungsverhältnis an der thermischen Tropopause

40°N

40°N

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E39/C: Wasserdampftrend in 80 hPa, 40°N und 40°S

Randel et al., 2004

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E39/C: Wasserdampftrend an der thermischen Tropopause1980-2000 (!)

Boulder

40°N

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Variabilität durch vorgeschriebene Antriebe

Einfluss von Vulkanen

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Variabilität durch vorgeschriebene Antriebe

Einfluss der quasi-zweijährigen Oszillation (QBO)

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Anomalien der Ozongesamtsäule, bezogen auf 1964 bis 1980

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Physik der AtmosphäreOzonbulletin des DWD, November 2004

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Variabilität der Ozongesamtsäule in 30° - 60°N, JFM

12 DU ± 4 DU

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Variabilität durch vorgeschriebene Antriebe

Einfluss der solaren Aktivität(11-Jahres Zyklus)

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Ozonproduktionsrate und -photolyserate in 10, 30 und 50 hPa

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Zusammenfassung

• Ergebnisse der früheren Zeitscheibenexperimente (1960, 1980, 1990) und die daraus abgeleiteten Schlüsse (z.B. Hein et al., 2001; Grewe et al., 2001; Schnadt et al., 2002) werden bestätigt. Berechnete klimatologische Mittel dynamischer und chemischer Größen sowie saisonale und interannuale Variationen stimmen mit Beobachtungen weitestgehend überein.

• Langzeitliche Veränderungen (Trends) werden in der transienten Simulation zufriedenstellend reproduziert.

• Das Modell zeigt überraschenderweise Ähnlichkeiten mit beobachteten, singulären Ereignissen, besonders in der Südhemisphäre.

• Vorgeschriebene Meeresoberflächentemperaturen, die Berücksichtigung der solaren Variabilität und der QBO spielen für die Variabilität der (Modell-)Atmosphäre eine wichtige Rolle, große Vulkanausbrüche beeinflussen die Atmosphäre nur für wenige Jahre.