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

Seit der Entdeckung des Ozonlochs uber der Antarktis vor einigen Jahrzehnten ist die Reprasentation von Ozon in seinen zentralen Rollen als Treibhausgas und UV-absorbierendes Molekul in Chemie-Klima-Modellen ein wesentliches Ziel. Dabei ist die realistische Darstellung von polaren Stratospharenwolken (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 Fruhling uber der Antarktis erklaren. Drei PSC-Typen werden anhand deren Zusammensetzung unterschieden: Salpetersauretrihydrat-Partikel (NAT, von engl. "nitric acid trihydrate''), unterkuhlte ternare Losungstropfen (STS, von engl. "supercooled ternary solution'') und Eis-Partikel. Globale Chemie-Klima-Modelle zur dekadischen Vorhersage von Ozon haben meist eine relativ grobe horizontale Auflosung von einigen hundert Kilometern. Dies hat zur Folge, dass Prozesse wie Schwerewellen hinter Gebirgen nicht aufgelost werden konnen, da diese mit Wellenlangen von 100 km und weniger zu kleinraumig 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 eingeschrankt ist. Das Modellsystem ICON-ART (ICON: ICOsahedral Non-hydrostatic, ART: Aerosols and Reactive Trace gases) bietet neben der Berechnung der atmospharischen Zustandsvariablen in Skalen von einigen hundert Kilometern bis zu wenigen hundert Metern auch die Moglichkeit der lokalen Gitterverfeinerung mit Zwei-Wege-Interaktion. Dadurch konnen beispielsweise Regionen mit hoher Leewellenaktivitat feiner aufgelost werden, sodass in diesen Regionen die Leewelle direkt simuliert werden kann. Auserdem kann deren Effekt in die eigentlich zu grobe globale Auflosung zuruckgefuhrt werden. In dieser Arbeit wird ein neues Modul zur Mikrophysik von den bekannten drei PSC-Typen fur ICON-ART erstellt und eingebaut. Die Ergebnisse des Moduls werden zunachst 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 reprasentieren. Am Beispiel eines Leewellenereignisses im Juli 2008 an der Antarktischen Halbinsel wird gezeigt, dass sich im Modell grose, Leewellen-induzierte PSC-Partikel bilden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass durch die dadurch hohere Chloraktivierung in der Leewelle mehr Ozon abgebaut wird. Daher wird mit dieser Arbeit die Lucke zwischen direkt aufgelosten Leewellen-induzierten PSCs und global grober aufgelosten Langzeitsimulationen geschlossen, in denen dieser Effekt bisher nicht simuliert werden konnte. Dadurch wird es infolge dieser Arbeit moglich sein, die zukunftige Entwicklung von Ozon, auch in der Interaktion mit dem Klimawandel, besser vorherzusagen.