Project

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Climatology of gravity wave-induced ozone perturbations

Applicant Hocke Klemens
Number 124414
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für angewandte Physik Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy
Start/End 01.08.2009 - 31.07.2011
Approved amount 108'941.00
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Keywords (6)

atmospheric gravity wave; stratospheric ozone; energy and momentum transport by waves; atmospheric circulation; composition; microwave radiometer

Lay Summary (German)

Lead
Lay summary
Auf der Windschattenseite der Berge gibt es Auf- und Abwinde, die nicht nur für Segelflieger interessant sind, sondern als Entstehungsorte von atmosphärischen Wellen in Klima- und Wettermodellen berücksichtigt werden müssen. Wasserdampf kondensiert im kühlen Aufwind, so dass sich Linsenwolken in den Aufwindbereichen bilden, in denen es zudem noch regnen kann.Das IAP/Uni Bern beobachtet diese Prozesse mit einem Regenradar und dem Mikrowellenradiometer TROWARA mit einer Zeitauflösung von 1 Minute und besser.Atmosphärische Schwerewellen (periodische Wind-, Dichte-, Druck-, und Temperaturschwankungen) werden nicht nur durch die Wechselwirkung von Wind mit den Bergen erzeugt, sondern z.B. auch durch Wasserdampfkonvektion (Erwärmung und Aufstieg eines Luftpakets durch Absorption von Sonnenstrahlung), Sonnenaufgang, Sonnenuntergang, Windstrominstabilität, und Vulkanausbruch. Die rückstellende Kraft für die Atmosphärenschwingung ist jeweils die Schwerkraft ganz ähnlich wie bei den Meereswellen.Die atmosphärischen Schwerewellen können von der Troposphäre in die Stratosphäre wandern und bewirken dort kleinskalige Störungen in der Ozonschicht, die mit dem Mikrowellenradiometer GROMOS am IAP/Uni Bern mit einer Zeitauflösung von 3 Minuten gemessen werden. In den Aufwindbereichen können sich perlmuttfarbene Eiswolken bilden (Polar Stratospheric Clouds), die leider einen sehr effizienten Ozonabbau infolge heterogener chemischer Reaktionen verursachen.Das SNF-Projekt wird die Auswirkungen von atmosphärischen Schwerewellen auf die troposphärische Wasserdampfverteilung erforschen, sowie auf die Dynamik und Komposition der Stratosphäre und Mesosphäre. Mit Hilfe von numerischen Simulationen werden die kurzperiodischen (5-30 min) Ozonschwankungen der Stratosphäre studiert, die durch kurzperiodische Schwerewellen zustande kommen. Die Ozon- und Wasserdampfzeitreihen des IAP/Uni Bern werden gezielt nach atmosphärischen Wellen durchsucht mit dem Ziel eine Klimatologie der kleinskaligen Wellen zu erstellen und die dynamische Kopplung der unteren, mittleren und oberen Atmosphäre durch Wellen zu erforschen. Da die Messzeitreihen bereits 15 Jahre lang sind, können wir z.B. statistisch untersuchen, wie die Wellenaktivität von der Tages- und Jahreszeit abhängt.Die Forschung könnte zum Biowetter (kurzperiodische Druckschwankungen), Flugwetter (Turbulenz und Wellen über den Alpen), und Navigation (Funkstörungen durch Schwerewellen in der Ionosphäre) beitragen. Das Hauptziel ist jedoch ein besseres Verständnis von Vorkommen und Auswirkungen von Schwerewellen auf die Atmosphäre. Dies ist eine Voraussetzung, um Klima- und Wettermodelle verbessern zu können.
Direct link to Lay Summary Last update: 21.02.2013

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Publications

Publication
A climatology of the diurnal variations in stratospheric and mesospheric ozone over Bern, Switzerland
Studer Simone (2014), A climatology of the diurnal variations in stratospheric and mesospheric ozone over Bern, Switzerland, in Atmospheric Chemistry and Physics, 14, 5905-5919.
A 20-day period standing oscillation in the northern winter stratosphere
Hocke Klemens (2013), A 20-day period standing oscillation in the northern winter stratosphere, in Annales Geophysicae, 31, 755-764.
Intraseasonal Oscillations of Stratospheric Ozone Above Switzerland
Studer Simone (2012), Intraseasonal Oscillations of Stratospheric Ozone Above Switzerland, in Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 74, 189-198.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
International Space Science Institute (Wind) Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
IAP, University of Bern Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
MeteoSwiss and GAW-CH Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
European COST project: Water Vapour in the Climate System Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
International Space Science Institute (H2O) Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
134613 Detection and Interpretation of Atmospheric Motions (DIAMO) 01.08.2011 Project funding (Div. I-III)
146388 KAP-MIRA: Key Atmospheric Parameters by Microwave Radiometry 01.04.2013 Project funding (Div. I-III)
134684 WADI+: Atmospheric Water vapour from the ground to the mesopause: Detection and Interpretation 01.04.2011 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Atmospheric gravity waves play a crucial role in forcing the atmosphere circulation, vertical mixing of atmospheric composition, induction of heavy precipitation events, and formation of polar stratospheric clouds. The lower, middle, and upper atmosphere are coupled by gravity waves. Ozone profiles with a unique time resolution of 3 min, covering the altitude range from 20 to 70 km, are provided by ozone microwave radiometers operated by IAP, University of Bern, and MeteoSwiss. The research project investigates the quality of the ozone profiles and performs cross-validations with other measurement techniques (ceilometer, ozonesonde, satellite limb and nadir sounders). The temporal ozone fluctuations (periods 6-60 min) can be utilized as tracer of gravity waves. Daily, seasonal, and interannual climatologies of ozone fluctuations and associated gravity wave parameters are retrieved for the stratosphere. The stratospheric ozone shield is inspected on short time scales (< 30 min), and the influence of gravity waves on stratospheric ozone is investigated. Gravity waves can induce polar stratospheric clouds leading to severe ozone depletion. High-frequency gravity waves with periods of 10-30 min are typically generated by wind shears, orography, and thermal convection in the troposphere. Observations of high-frequency gravity waves and associated ozone perturbations at stratospheric altitudes are almost not available yet though numerical simulations predict a propagation of tropospheric high-frequency gravity waves into the stratosphere. Propagation, wave ducting, wave-mean flow interactions, and wave dissipation of high-frequency gravity waves within the stratosphere are studied by means of the temporally high-resolution ozone profiles from the continuously operated ground-based microwave radiometers at Bern and Payerne. Correlations of stratospheric gravity wave activity with tropospheric sources and wind fields are analyzed. The relation between spatial fluctuations (observed by satellites and radiosondes) and temporal fluctuations (observed by ground-based microwave radiometers) is investigated. The observational part of the project is complemented by a modeling part in order to understand the gravity wave-ozone perturbation relationship on time scales less than 30 min. Numerical modeling of gravity wave generation, propagation, and breaking will be explored by means of the user-friendly CAD/FEM environment of COMSOL Multiphysics solving the hydrodynamic equation system and/or by means of the Weather Research Forecast Model.
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