Authors:	Kaluza, Thorsten
Title:	Impact of upper tropospheric jet-front sytems on the mesoscale structure of the tropopause inversion layer and cross-tropopause transport
Online publication date:	18-May-2022
Year of first publication:	2022
Language:	english
Abstract:	The tropopause represents the transition region between the first two layers of the atmosphere, i.e., the troposphere and the stratosphere. It can be regarded as a quasi- permeable transport barrier that allows exchange and mixing of air only for certain processes. Such non-conservative processes cause material changes in the potential vorticity, a fluid-dynamic conservation property for air parcels that are generally approximated as closed thermodynamic systems. Thus, the transition from characteristic tropospheric to stratospheric potential vorticity and vice vera is equatable with transport of air through the tropopause. The significance of dynamic instability and turbulence as a non-conservative mixing process varies depending on the underlaying synoptic situation. In this context, the role of the tropopause inversion layer is not finally understood. This layer is defined based on a local maximum in static stability, a quantity which to a large degree determines the vertical distribution of potential vorticity in the tropopause region. On one hand, much of what is known about the tropopause inversion layer and its relation to the dynamic stability of the flow is based on numerical model studies where the results depend significantly on the degree of idealization as well as on the representation of the physical processes that induce dynamic instability. On the other hand, there is a lack of high resolution in situ measurements specifically dedicated to the investigation of the relation between troposphere-stratosphere exchange and the tropopause inversion layer, and thus, also the validation of the numerical models. The present work adresses this issue with the central aim to investigate mixing processes at the tropopause, particularly in relation to the tropopause inversion layer. For this a set of analyses on different spatial and temporal scales is performed. The analyses range from individual case studies based on measurements from the airborne research campaign WISE that took place during 2017 over the North Atlantic, to model-based process studies of baroclinic life cycles, up to climatological scales based on ten years of northern hemispheric reanalysis data. The analyses across all scales reveal that turbulent mixing occurs particularly in regions which are characterised by a pronounced tropopause inversion layer. The underlaying dynamic instability is forced by a layer of strong vertical wind shear which is located closely above the tropopause. On synoptic scales the wind shear layer and the tropopause inversion layer emerge simultaneously in ridges of baroclinic waves. Furthermore, each layer exhibits a distinct mesoscale variability which is linked to differences in the mechanisms that influence the evolution of each layer. The wind shear layer as a tropopause-based phenomenon occurs on global and climatological scales. For latitudes that are not dominated by baroclinic wave dynamics, several regions have been identified that favor the occurrence of strong wind shear near to the tropopause: Over the Asian continent and associated with the subtropical jet stream, over the Indian Ocean and associated with the Asian summer monsoon circulation, and over the maritime continent and associated with the El Niño Southern Oscillation ocean–atmosphere coupling. The occurrence of the tropopause wind shear layer is associated with low Richardson numbers in the lower stratosphere, and thus, an increased potential for dynamic instability. In the midlatitudes these preconditions for turbulent mixing occur in regions of high tropopause altitudes like ridges of baroclinic waves, i.e., a region that has gained comparatively little attention in the context of research on stratosphere-troposphere exchange. The vertically confined occurrence of the tropopause wind shear layer within the first 1–2 kilometers above the local tropopause indicates a relation to the extratropical transition layer. The extratropical transition layer is defined based on distinct trace gas gradients which are shaped by mixing processes, and its occurrence is limited to the same vertically confined region. Furthermore, the analysis highlights the significance of the mesoscale variability of both static stability and wind shear, despite the global scale and climatological character of the tropopause inversion layer and the wind shear layer. In summary, the analysis narrows down the significance of shear-induced turbulent mixing in the lower stratosphere. The preconditions for local small-scale turbulent mixing in the tropopause region are frequently met from the tropics up to high latitudes, which is associated with the dominant tropospheric large scale dynamics within each meridional region. This in turn affects the chemical composition of the tropopause region which can have a significant impact on the global radiative budget. Die Tropopause bildet die Grenzregion zwischen den beiden untersten Atmosphärenschichten, der Troposphäre und der Stratosphäre. Sie kann als quasi-permeable Transportbarriere betrachtet werden, durch die durch das Auftreten gewisser Prozesse Austausch stattfinden kann. Entsprechende nicht-konservative Prozesse bewirken materielle Änderungen der potenziellen Vortizität, einer fluid-dynamischen Erhaltungsgröße für Luftpakete die als abgeschlossene Systeme betrachtet werden können. Die Änderung der potenziellen Vortizität von charakteristisch troposphärisch zu stratosphärischen Werten und vice versa ist daher gleichzusetzen mit Transport durch die Tropopause. Die Signifikanz von dynamischer Instabilität und Turbulenz als nicht-konservativer Mischungsprozess variiert dabei abhängig von der synoptischen Situation. Die Funktion der Tropopauseninversionsschicht ist in diesem Kontext nicht abschließend erforscht. Die Tropopauseninversionsschicht ist über ein lokales Maximum der statischen Stabilität definiert, welches in die Berechnung der potenziellen Vortizität einfließt und somit deren vertikale Verteilung in der Tropopausenregion dominiert. Bisherige Erkenntnisse bezüglich dem Zusammenhang zwischen der Tropopauseninversionsschicht und der dynamischen Stabilität basieren zum einen auf numerischen Modellstudien deren Ergebnisse maßgeblich vom Idealisierungsgrad abhängen, sowie der Repräsentation der physikalischen Prozesse welche dynamische Instabilität bedingen. Zum anderen mangelt es an hochaufgelösten Messungen die dezidiert auf den Zusammenhang zwischen Stratosphären-Troposphären Austausch und der Tropopauseninversionsschicht abzielen und somit auch auf die Validierung der Modellprognosen. Die vorliegende Arbeit setzt an diesem Punkt an mit dem Ziel Mischungsprozesse von Luftmassen an der Tropopause und insbesondere die Rolle der Tropopauseninversionsschicht zu untersuchen. Dafür werden Analysen auf verschiedenen Raum- und Zeitskalen durchgeführt. Dies umfasst Fallstudien während der 2017 über dem Nordatlantik durchgeführten flugzeuggetragenen Messkampagne WISE, Modelldaten-basierte Prozessstudien barokliner Lebenszyklen, sowie eine klimatologische Betrachtung über zehn Jahre auf der Nordhemisphäre. Die Analysen über alle Skalen zeigen dass turbulentes Mischen von troposphärischer und stratosphärischer Luft in den mittleren Breiten insbesondere in Regionen auftritt welche durch eine stark ausgeprägte Tropopauseninversionsschicht charakterisiert sind. Die dem Mischungsprozess zugrunde liegende dynamische Instabilität wird forciert durch eine Schicht stark ausgeprägter Windscherung unmittelbar über der Tropopause. Auf synoptischer Skala entstehen die Windscherungsschicht und die Tropopausenin- versionsschicht systematisch zeitgleich in Rücken barokliner Wellen. Beide Schichten weisen eine ausgeprägte individuelle mesoskalige Variabilität auf, was auf Unterschiede in den einflussnehmenden Prozessen zurückgeführt werden kann und letztendlich erheblichen Einfluss auf die dynamische Stabilität der unteren Stratosphäre hat. Die Windscherungsschicht als ein Tropopausen-basiertes Phänomen tritt auf globaler und klimatologischer Skala auf. Für geographische Breiten welche nicht von barokliner Wellendynamik dominiert sind, wurden bevorzugte Regionen für das Auftreten von ausgeprägter Windscherung in der Tropopausenregion identifiziert: Über dem asiatischen Kontinent und in Zusammenhang mit dem subtropischen Jetstream, über dem Indischen Ozean und im Zusammenhang mit der großskaligen Zirkulation des asiatischen Sommermonsuns, sowie über dem Maritimen Kontinent und im Zusammenhang mit der Phase der El Niño Southern Oscillation. Das Auftreten der Windscherungsschicht geht einher mit niedrigen Richardson Zahlen in der unteren Stratosphäre und somit einem erhöhten Potenzial für das Auftreten von dynamischer Instabilität. In den mittleren Breiten treten diese Voraussetzungen für turbulentes Mischen in Regionen mit hohen Tropopausen wie in Rücken von baroklinen Wellen auf, und somit in einer Region die bisher nicht im Fokus der Erforschung von Stratosphären-Troposphären Austausch stand. Das lokale Auftreten der Wind- scherungsschicht und des damit asoziierten Mischungsprozesses im Bereich von 1–2 Kilometern über der Tropopause weist auf eine Verbindung zur extratropischen Mischungsschicht hin. Diese wird durch Spurengasgradienten definiert welche von Mischungsprozessen geprägt sind und im selben Höhenbereich auftreten. Des Weiteren hebt die Analyse die Relevanz der mesoskaligen Variabilität von Tropopausen-basierten Maxima der statischen Stabilität und Windscherung hervor, trotz des globalen und klimatolgischen Charakters der Tropopauseninversionsschicht und der Windscherungs- schicht. Zusammenfassend wurde die Relevanz von scherungsinduziertem turbulenten Mischen in der unteren Stratosphäre näher eingegrenzt. Die Voraussetzungen für lokales kleinskaliges turbulentes Mischen in der Tropopausenregion sind von den Tropen bis zu hohen Breiten auf globaler und klimatologischer Skala gegeben, und stehen im Zusammenhang mit der dominierenden großskaligen troposphärischen Dynamik in den jeweiligen Breitengraden. Dies wiederum hat Auswirkungen auf die lokale Zusammensetzung der Luftmassen in der Tropopausenregion, mit potenziell nicht zu vernachlässigendem Einfluss auf das globale Strahlungsbudget.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics 530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-6953
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-455df70e-25e8-4aa0-816a-abc3620e069d3
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	CC BY
Information on rights of use:	https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Extent:	viii, 148 Seiten, Diagramme, Illustrationen, Karten
Appears in collections:	JGU-Publikationen