Der frühwinterliche Ozongehalt ist ein Indikator für den Ozongehalt im Spätwinter/Frühjahr. Jedoch weist dieser aufgrund von Absinkprozessen, chemisch bedingten Ozonabbau und Wellenaktivität von Jahr zu Jahr starke Schwankungen auf. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass diese Variabilität weitestgehend auf dynamische Prozesse während der Wirbelbildungsphase des arktischen Polarwirbels zurückgeht. Ferner wird der bisher noch ausstehende Zusammenhang zwischen dem früh- und spätwinterlichen Ozongehalt bezüglich Dynamik und Chemie aufgezeigt. Für die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der im Polarwirbel eingeschlossenen Luftmassenzusammensetzung und Ozonmenge wurden Beobachtungsdaten von Satellitenmessinstrumenten und Ozonsonden sowie Modellsimulationen des Lagrangschen Chemie/Transportmodells ATLAS verwandt. Die über die Fläche (45–75°N) und Zeit (August-November) gemittelte Vertikalkomponente des Eliassen-Palm-Flussvektors durch die 100hPa-Fläche zeigt eine Verbindung zwischen der frühwinterlichen wirbelinneren Luftmassenzusammensetzung und der Wirbelbildungsphase auf. Diese ist jedoch nur für die untere Stratosphäre gültig, da die Vertikalkomponente die sich innerhalb der Stratosphäre ändernden Wellenausbreitungsbedingungen nicht erfasst. Für eine verbesserte Höhendarstellung des Signals wurde eine neue integrale auf der Wellenamplitude und dem Charney-Drazin-Kriterium basierende Größe definiert. Diese neue Größe verbindet die Wellenaktivität während der Wirbelbildungsphase sowohl mit der Luftmassenzusammensetzung im Polarwirbel als auch mit der Ozonverteilung über die Breite. Eine verstärkte Wellenaktivität führt zu mehr Luft aus niedrigeren ozonreichen Breiten im Polarwirbel. Aber im Herbst und Frühwinter zerstören chemische Prozesse, die das Ozon ins Gleichgewicht bringen, die interannuale wirbelinnere Ozonvariablität, die durch dynamische Prozesse während der arktischen Polarwirbelbildungsphase hervorgerufen wird. Eine Analyse in Hinblick auf den Fortbestand einer dynamisch induzierten Ozonanomalie bis in den Mittwinter ermöglicht eine Abschätzung des Einflusses dieser dynamischen Prozesse auf den arktischen Ozongehalt. Zu diesem Zweck wurden für den Winter 1999–2000 Modellläufe mit dem Lagrangesche Chemie/Transportmodell ATLAS gerechnet, die detaillierte Informationen über den Erhalt der künstlichen Ozonvariabilität hinsichtlich Zeit, Höhe und Breite liefern. Zusammengefasst, besteht die dynamisch induzierte Ozonvariabilität während der Wirbelbildungsphase länger im Inneren als im Äußeren des Polarwirbels und verliert oberhalb von 750K potentieller Temperatur ihre signifikante Wirkung auf die mittwinterliche Ozonvariabilität. In darunterliegenden Höhenbereichen ist der Anteil an der ursprünglichen Störung groß, bis zu 90% auf der 450K. Innerhalb dieses Höhenbereiches üben die dynamischen Prozesse während der Wirbelbildungsphase einen entscheidenden Einfluss auf den Ozongehalt im Mittwinter aus. / The ozone amount in early winter provides an indication of the ozone amount in late winter/early spring. The early winter amount is highly variable from year to year due to modification by subsidence, chemical loss and wave activity. This thesis shows that this variability is mainly caused by the dynamics during the Arctic polar vortex formation. Furthermore, it explains the still missing link between early and late winter ozone amount due to dynamics and chemistry. Observational ozone data from satellite based instruments, ozone probes and simulations are used for the investigation of the connection between the composition of the air and the ozone enclosed in the polar vortex. The simulations are calculated with the Lagrangian chemistry/transport model ATLAS. The over area (45–75°N) and time (August-November) averaged vertical component of the Eliassen-Palm flux at 100hPa points to a link between the early winter composition of the air enclosed in the polar vortex and the vortex formation phase. This is only valid for the lower stratosphere, because the component does not satisfy changing conditions for wave propagation throughout the stratosphere by itself. Due to this deficit a new integral quantity based on wave amplitude and properties of the Charney-Drazin criterion is defined to achieve an improvement with height. This new quantity connects the wave activity during vortex formation to the composition of air inside the vortex as well as the distribution of ozone over latitude. An enhanced wave activity leads to a higher proportion of ozone rich air from lower latitudes inside the polar vortex. But chemistry in autumn and early winter removes the interannual variability in the amount of ozone enclosed in the vortex induced by dynamical processes during the formation phase of the Artic polar vortex because ozone relaxes towards equilibrium. An estimation of how relevant these variable dynamical processes are for the Arctic winter ozone abundances is obtained by analysing which fraction of dynamically induced anomalies in ozone persists until mid winter. Model runs with the Lagrangian Chemistry-Transport-Model ATLAS for the winter 1999–2000 are used to assess the fate of ozone anomalies artificially introduced during the vortex formation phase. These runs provide detailed information about the persistence of the induced ozone variability over time, height and latitude. Overall, dynamically induced ozone variability from the vortex formation phase survives longer inside the polar vortex compared to outside and can not significantly contribute to mid-winter variability at levels above 750K potential temperature level. At lower levels increasingly larger fractions of the initial perturbation survive, reaching 90% at 450K potential temperature level. In this vertical range dynamical processes during the vortex formation phase are crucial for the ozone abundance in mid-winter.

Die chemische Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften von troposphärischen Gasen, Partikeln und Wolken hängen aufgrund zahlreicher Prozesse stark voneinander ab. Insbesondere chemische Multiphasenprozesse in Wolken können die physiko-chemischen Eigenschaften der Luft und troposphärischer Partikel klein- und großräumig verändern. Diese chemische Prozessierung des troposphärischen Aerosols innerhalb von Wolken beeinflusst die chemischen Umwandlungen in der Atmosphäre, die Bildung von Wolken, deren Ausdehnung und Lebensdauer, sowie die Transmissivität von einfallender und ausgehender Strahlung durch die Atmosphäre. Damit sind wolken-chemische Prozesse relevant für das Klima auf der Erde und für verschiedene Umweltaspekte. Daher ist ein umfassendes Verständnis dieser Prozesse wichtig. Die explizite Behandlung chemischer Reaktionen in der Flüssigphase stellt allerdings eine Herausforderung für atmosphärische Computermodelle dar. Detaillierte Beschreibungen der Flüssigphasenchemie werden deshalb häufig nur für Boxmodelle verwendet. Regionale Chemie-Transport-Modelle und Klimamodelle berücksichtigen diese Prozesse meist nur mit vereinfachten chemischen Mechanismen oder Parametrisierungen. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, den Einfluss der chemischer Mehrphasenprozesse innerhalb von Wolken auf den Verbleib relevanter Spurengase und Partikelbestandteile mit Hilfe des state‑of‑the‑art 3D-Chemie-Transport-Modells COSMO-MUSCAT zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde das Model um eine detaillierte Beschreibung chemischer Prozesse in der Flüssigphase erweitert. Zusätzlich wurde das bestehende Depositionsschema verbessert, um auch die Deposition von Nebeltropfen zu berücksichtigen. Die durchgeführten Modellerweiterungen ermöglichen eine bessere Beschreibung des troposphärischen Multiphasensystems. Das erweiterte Modellsystem wurde sowohl für künstliche 2D-Bergüberströmungsszenarien als auch für reale 3D-Simulationen angewendet. Mittels Prozess- und Sensitivitätsstudien wurde der Einfluss (i) des Detailgrades der verwendeten Mechanismen zur Beschreibung der Flüssigphasenchemie, (ii) der Größenauflösung des Tropfenspektrums und (iii) der Tropfenanzahl auf die chemischen Modellergebnisse untersucht. Die Studien belegen, dass die Auswirkungen der Wolkenchemie aufgrund ihres signifikanten Einflusses auf die Oxidationskapazität in der Gas- und Flüssigphase, die Bildung von organischer und anorganischer Partikelmasse sowie die Azidität der Wolkentropfen und Partikel in regionalen Chemie-Transport-Modellen berücksichtigt werden sollten. Im Vergleich zu einer vereinfachten Beschreibung der Wolkenchemie führt die Verwendung des detaillierten chemischen Flüssigphasenmechanismus C3.0RED zu verringerten Konzentrationen wichtiger Oxidantien in der Gasphase, einer höheren Nitratmasse in der Nacht, geringeren nächtlichen pH-Werten und einer veränderten Sulfatbildung. Darüber hinaus ermöglicht eine detaillierte Wolkenchemie erst Untersuchungen zur Bildung sekundärer organischer Partikelmasse in der Flüssigphase. Die größenaufgelöste Behandlung der Flüssigphasenchemie hatte nur geringen Einfluss auf die chemischen Modellergebnisse. Schließlich wurde das erweiterte Modell für Fallstudien zur Feldmesskampagne HCCT‑2010 genutzt. Zum ersten Mal wurde dabei ein chemischer Mechanismus mit der Komplexität von C3.0RED verwendet. Die räumlichen Effekte realer Wolken z. B. auf troposphärische Oxidantien oder die Bildung anorganischer Masse wurden untersucht. Der Vergleich der Modellergebnisse mit verfügbaren Messungen hat viele Übereinstimmungen aber auch interessante Unterschiede aufgezeigt, die weiter untersucht werden müssen. / In the troposphere, a vast number of interactions between gases, particles, and clouds affect their physico-chemical properties, which, therefore, highly depend on each other. Particularly, multiphase chemical processes within clouds can alter the physico-chemical properties of the gas and the particle phase from the local to the global scale. This cloud processing of the tropospheric aerosol may, therefore, affect chemical conversions in the atmosphere, the formation, extent, and lifetime of clouds, as well as the interaction of particles and clouds with incoming and outgoing radiation. Considering the relevance of these processes for Earth\'s climate and many environmental issues, a detailed understanding of the chemical processes within clouds is important. However, the treatment of aqueous phase chemical reactions in numerical models in a comprehensive and explicit manner is challenging. Therefore, detailed descriptions of aqueous chemistry are only available in box models, whereas regional chemistry transport and climate models usually treat cloud chemical processes by means of rather simplified chemical mechanisms or parameterizations. The present work aims at characterizing the influence of chemical cloud processing of the tropospheric aerosol on the fate of relevant gaseous and particulate aerosol constituents using the state-of-the-art 3‑D chemistry transport model (CTM) COSMO‑MUSCAT. For this purpose, the model was enhanced by a detailed description of aqueous phase chemical processes. In addition, the deposition schemes were improved in order to account for the deposition of cloud droplets of ground layer clouds and fogs. The conducted model enhancements provide a better insight in the tropospheric multiphase system. The extended model system was applied for an artificial mountain streaming scenario as well as for real 3‑D case studies. Process and sensitivity studies were conducted investigating the influence of (i) the detail of the used aqueous phase chemical representation, (ii) the size-resolution of the cloud droplets, and (iii) the total droplet number on the chemical model output. The studies indicated the requirement to consider chemical cloud effects in regional CTMs because of their key impacts on e.g., oxidation capacity in the gas and aqueous phase, formation of organic and inorganic particulate mass, and droplet acidity. In comparison to rather simplified aqueous phase chemical mechanisms focusing on sulfate formation, the use of the detailed aqueous phase chemistry mechanism C3.0RED leads to decreased gas phase oxidant concentrations, increased nighttime nitrate mass, decreased nighttime pH, and differences in sulfate mass. Moreover, the treatment of detailed aqueous phase chemistry enables the investigation of the formation of aqueous secondary organic aerosol mass. The consideration of size-resolved aqueous phase chemistry shows only slight effects on the chemical model output. Finally, the enhanced model was applied for case studies connected to the field experiment HCCT-2010. For the first time, an aqueous phase mechanism with the complexity of C3.0RED was applied in 3‑D chemistry transport simulations. Interesting spatial effects of real clouds on e.g., tropospheric oxidants and inorganic mass have been studied. The comparison of the model output with available measurements revealed many agreements and also interesting disagreements, which need further investigations.

Die chemische Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften von troposphärischen Gasen, Partikeln und Wolken hängen aufgrund zahlreicher Prozesse stark voneinander ab. Insbesondere chemische Multiphasenprozesse in Wolken können die physiko-chemischen Eigenschaften der Luft und troposphärischer Partikel klein- und großräumig verändern. Diese chemische Prozessierung des troposphärischen Aerosols innerhalb von Wolken beeinflusst die chemischen Umwandlungen in der Atmosphäre, die Bildung von Wolken, deren Ausdehnung und Lebensdauer, sowie die Transmissivität von einfallender und ausgehender Strahlung durch die Atmosphäre. Damit sind wolken-chemische Prozesse relevant für das Klima auf der Erde und für verschiedene Umweltaspekte. Daher ist ein umfassendes Verständnis dieser Prozesse wichtig. Die explizite Behandlung chemischer Reaktionen in der Flüssigphase stellt allerdings eine Herausforderung für atmosphärische Computermodelle dar. Detaillierte Beschreibungen der Flüssigphasenchemie werden deshalb häufig nur für Boxmodelle verwendet. Regionale Chemie-Transport-Modelle und Klimamodelle berücksichtigen diese Prozesse meist nur mit vereinfachten chemischen Mechanismen oder Parametrisierungen. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, den Einfluss der chemischer Mehrphasenprozesse innerhalb von Wolken auf den Verbleib relevanter Spurengase und Partikelbestandteile mit Hilfe des state‑of‑the‑art 3D-Chemie-Transport-Modells COSMO-MUSCAT zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde das Model um eine detaillierte Beschreibung chemischer Prozesse in der Flüssigphase erweitert. Zusätzlich wurde das bestehende Depositionsschema verbessert, um auch die Deposition von Nebeltropfen zu berücksichtigen. Die durchgeführten Modellerweiterungen ermöglichen eine bessere Beschreibung des troposphärischen Multiphasensystems. Das erweiterte Modellsystem wurde sowohl für künstliche 2D-Bergüberströmungsszenarien als auch für reale 3D-Simulationen angewendet. Mittels Prozess- und Sensitivitätsstudien wurde der Einfluss (i) des Detailgrades der verwendeten Mechanismen zur Beschreibung der Flüssigphasenchemie, (ii) der Größenauflösung des Tropfenspektrums und (iii) der Tropfenanzahl auf die chemischen Modellergebnisse untersucht. Die Studien belegen, dass die Auswirkungen der Wolkenchemie aufgrund ihres signifikanten Einflusses auf die Oxidationskapazität in der Gas- und Flüssigphase, die Bildung von organischer und anorganischer Partikelmasse sowie die Azidität der Wolkentropfen und Partikel in regionalen Chemie-Transport-Modellen berücksichtigt werden sollten. Im Vergleich zu einer vereinfachten Beschreibung der Wolkenchemie führt die Verwendung des detaillierten chemischen Flüssigphasenmechanismus C3.0RED zu verringerten Konzentrationen wichtiger Oxidantien in der Gasphase, einer höheren Nitratmasse in der Nacht, geringeren nächtlichen pH-Werten und einer veränderten Sulfatbildung. Darüber hinaus ermöglicht eine detaillierte Wolkenchemie erst Untersuchungen zur Bildung sekundärer organischer Partikelmasse in der Flüssigphase. Die größenaufgelöste Behandlung der Flüssigphasenchemie hatte nur geringen Einfluss auf die chemischen Modellergebnisse. Schließlich wurde das erweiterte Modell für Fallstudien zur Feldmesskampagne HCCT‑2010 genutzt. Zum ersten Mal wurde dabei ein chemischer Mechanismus mit der Komplexität von C3.0RED verwendet. Die räumlichen Effekte realer Wolken z. B. auf troposphärische Oxidantien oder die Bildung anorganischer Masse wurden untersucht. Der Vergleich der Modellergebnisse mit verfügbaren Messungen hat viele Übereinstimmungen aber auch interessante Unterschiede aufgezeigt, die weiter untersucht werden müssen. / In the troposphere, a vast number of interactions between gases, particles, and clouds affect their physico-chemical properties, which, therefore, highly depend on each other. Particularly, multiphase chemical processes within clouds can alter the physico-chemical properties of the gas and the particle phase from the local to the global scale. This cloud processing of the tropospheric aerosol may, therefore, affect chemical conversions in the atmosphere, the formation, extent, and lifetime of clouds, as well as the interaction of particles and clouds with incoming and outgoing radiation. Considering the relevance of these processes for Earth\''s climate and many environmental issues, a detailed understanding of the chemical processes within clouds is important. However, the treatment of aqueous phase chemical reactions in numerical models in a comprehensive and explicit manner is challenging. Therefore, detailed descriptions of aqueous chemistry are only available in box models, whereas regional chemistry transport and climate models usually treat cloud chemical processes by means of rather simplified chemical mechanisms or parameterizations. The present work aims at characterizing the influence of chemical cloud processing of the tropospheric aerosol on the fate of relevant gaseous and particulate aerosol constituents using the state-of-the-art 3‑D chemistry transport model (CTM) COSMO‑MUSCAT. For this purpose, the model was enhanced by a detailed description of aqueous phase chemical processes. In addition, the deposition schemes were improved in order to account for the deposition of cloud droplets of ground layer clouds and fogs. The conducted model enhancements provide a better insight in the tropospheric multiphase system. The extended model system was applied for an artificial mountain streaming scenario as well as for real 3‑D case studies. Process and sensitivity studies were conducted investigating the influence of (i) the detail of the used aqueous phase chemical representation, (ii) the size-resolution of the cloud droplets, and (iii) the total droplet number on the chemical model output. The studies indicated the requirement to consider chemical cloud effects in regional CTMs because of their key impacts on e.g., oxidation capacity in the gas and aqueous phase, formation of organic and inorganic particulate mass, and droplet acidity. In comparison to rather simplified aqueous phase chemical mechanisms focusing on sulfate formation, the use of the detailed aqueous phase chemistry mechanism C3.0RED leads to decreased gas phase oxidant concentrations, increased nighttime nitrate mass, decreased nighttime pH, and differences in sulfate mass. Moreover, the treatment of detailed aqueous phase chemistry enables the investigation of the formation of aqueous secondary organic aerosol mass. The consideration of size-resolved aqueous phase chemistry shows only slight effects on the chemical model output. Finally, the enhanced model was applied for case studies connected to the field experiment HCCT-2010. For the first time, an aqueous phase mechanism with the complexity of C3.0RED was applied in 3‑D chemistry transport simulations. Interesting spatial effects of real clouds on e.g., tropospheric oxidants and inorganic mass have been studied. The comparison of the model output with available measurements revealed many agreements and also interesting disagreements, which need further investigations.