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Abstract (English)

Transport and mixing processes across the arctic polar vortex edge may influence the climate relevant ozone layer both inside the vortex and at mid-latitudes. In-mixing of mid- latitude air into the vortex may have impact on the chemistry and the resulting polar ozone loss. Mixing of depleted vortex air masses into the mid-latitudes may reduce the ozone layer at mid-latitudes. The knowledge of transport and mixing processes is thus important for reliable predictions of the future evolution of the ozone layer.

In this thesis I present an index (vortex index) derived from in-situ N₂O measurements. This vortex index provides information on the characteristic origin of an air mass and enables transport analyses independent of the absolute values of trace gas mixing ratios. Moreover, the vortex index is a good proxy for the fraction of vortex air in an observed air mass.

Mixing between air masses of different origin is evaluated by an analysis of the F11-N₂O correlation. The vortex index allows mixed and unmixed air masses to be distinguished in this analysis.

The trace gases CFC-11 and N2O, along with CFC-12, H-1211, CH₄, SF₆, H₂and CO₂, were measured by the High Altitude Gas Analyzer (HAGAR) during the RECONCILE aircraft campaign (Reconciliation of essential process parameters for an enhanced predictability of Arctic stratospheric ozone loss and its climate interactions) between mid January and mid March 2010.

The winter 2009/2010 was dynamically very active. This allows different processes like intrusions of mid-latitude air into the vortex and an extrusion of vortex air into the mid- latitudes to be investigated. The transport barrier between the surf zone and the vortex is identified as a region of weak and small-scale mixing. A further transport and mixing event outside the vortex was associated with a tropical streamer transported and mixed into high latitudes.

These single events were also evaluated by simulations of the Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere (CLaMS). The results of the simulations were compared with the observations. Single transport events are represented well in the model. However, mixing between transported air masses and surrounding air appears to be stronger in the simulations than observed. This may be due to the limited horizontal resolution of the model. The simulated meridional transport as a whole was assessed using the calculated vortex index, which allows the validation of the isentropic model transport independent of model initialisation and the vertical transport in the model.

The chemical ozone loss between mid January and mid March was derived from the evolution of the observed O₃-N₂O correlation. The vortex index facilitates this analysis by identifying unmixed air masses. Taking into account mixing and transport is essential to avoid an underestimation of ozone loss. In this case the omission of mixing leads to an underestimation of about 35%. The maximal value of 1.4±0.5ppm ozone loss was derived for mid March at a potential temperature of 490K. The CLaMS model tends to an underestimation of ozone loss, but its results agree with the observations within the error bars.

Abstract (German)

Transport- und Mischungsprozesse über die Polarwirbelgrenze hinweg können große Auswirkungen auf die klimarelevante Ozonschicht, sowohl im Polarwirbel als auch in mittleren Breiten haben. Durch Einmischung von Luft aus mittleren Breiten in den Polarwirbel kann dort die Chemie und der daraus resultierende Ozonverlust beeinflusst werden. Durch größere Einmischung abgereicherter Luft aus dem Polarwirbel in mittlere Breiten kann dort die Ozonschicht spürbar verringert werden. Die Kenntnisse über solche Transport- und Mischungsprozesse sind für zuverlässige Vorhersagen über die Entwicklung der Ozonschicht auch im Hinblick auf klimabedingte Änderungen notwendig.

In dieser Arbeit wurde aus hochaufgelösten N₂O-Messungen ein Index berechnet, der eine höhenunabhängige Auskunft über die charakteristische Luftmassenherkunft gibt. Somit ermöglicht er die Durchführung einer Transportanalyse, die unabhängig von den Absolutwerten der Spurengasmischungsverhältnisse ist. Zugleich dient der Vortexindex als Proxy für den Anteil an Polarwirbelluft in den vermessenen Luftmassen. Die Analyse von Mischung erfolgt hauptsächlich durch eine Korrelationsanalyse der F11-N₂O-Korrelation. In dieser Korrelationsanalyse wurde der Vortexindex wiederum zur Differenzierung zwischen vermischten und unvermischten Luftmassen eingesetzt.

Die Spurengase F11 und N₂O wurden, neben F12, H-1211, CH₄, SF₆, H₂und CO₂, mit dem High Altitude Gas Analyzer (HAGAR) während der RECONCILE-Kampagne (Reconciliation of essential process parameters for an enhanced predictability of Arctic stratospheric ozone loss and its climate interactions) im Winter 2009/2010 gemessen.

Der dynamisch sehr aktive Winter 2009/2010 bot die Möglichkeit unterschiedliche Prozesse zu untersuchen. Es konnten sowohl Intrusionen in den Wirbel hinein und ihre Vermischung mit der umgebenden Wirbelluft untersucht werden, sowie auch eine Extrusion aus dem Wirbel heraus in die „surf zone“. Die Transportbarriere zwischen Polarwirbel und „surf zone“ konnte als eine Region von langsamer, kleinskaliger Mischung identifiziert werden. Ein weiteres Transport- und Mischungsereignis außerhalb des Wirbels konnte einem Streamer aus den Tropen zugeordnet werden, der in hohe Breiten transportiert wurde.

Diese einzelnen Ereignisse wurden jeweils auch mit Simulationen durch das CLaMS Modell untersucht und die Ergebnisse mit den Beobachtungen verglichen. Die einzelnen Transporte werden durch das Modell in der Regel gut wiedergegeben. Die Vermischung zwischen den transportierten Luftmassen und den umgebenden Luftmassen erscheint im Modell jedoch stärker zu sein als in den Beobachtungen.

Mit Hilfe des Vortexindex konnte der im Modell simulierte Meridionaltransport im Kampagnenzeitraum auch in seiner Gesamtheit untersucht werden. Der Vortexindex erlaubt dabei die Validierung des isentropen Transportes im Modell weitgehend unabhängig von der Modellinitialisierung und dem Vertikaltransport im Modell.

Aus der Entwicklung der O₃-N₂O-Korrelation konnte schließlich der chemische Ozonverlust zwischen Mitte Januar und März bestimmt werden. Der Vortexindex diente hierbei wiederum als Filter zur Identifikation unvermischter Luftmassen. Die Berücksichtigung von Transport und Mischung bei dieser Korrelationsmethode ist essentiell, um eine Unterschätzung des Ozonverlustes, in diesem Fall von bis 35% zu vermeiden. Der maximale Ozon- verlust wurde im März auf einer potenziellen Temperatur von 490K bemessen und betrug 1,4±0,5ppm. Das CLaMS Modell tendiert zu einer Unterschätzung des Ozonverlustes, die jedoch noch innerhalb des Fehlerbereichs liegt.

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