Natürliche Variabilität und anthropogener Einfluss in Simulationen mit gekoppeltem Klima-Chemie-Modell EMAC-O: Atmosphären-Ozean-Wechselwirkungen im Klimawandel der Südhemisphäre : Natural variability and anthropogenic impact in simulations with the coupled chemistry-climate model EMAC-O: atmosphere-ocean interactions and climate change in the Southern Hemisphere
Der antarktische Klimawandel der vergangenen Jahrzehnte ist von rätselhafter und kontraintui- tiver Natur. Während es in der arktischen Region zu einem der weltweit stärksten Anstiege der Temperatur mit Folgeerscheinungen wie Permafrost-, Gletscher- und Meereisschmelze kommt, scheint die Antarktis,...
| Main Author: | |
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| Format: | Thesis |
| Language: | unknown |
| Published: |
Freie Universität Berlin
2016
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| Online Access: | https://dx.doi.org/10.17169/refubium-8513 https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/4313 |
| Summary: | Der antarktische Klimawandel der vergangenen Jahrzehnte ist von rätselhafter und kontraintui- tiver Natur. Während es in der arktischen Region zu einem der weltweit stärksten Anstiege der Temperatur mit Folgeerscheinungen wie Permafrost-, Gletscher- und Meereisschmelze kommt, scheint die Antarktis, der kälteste und trockenste Kontinent der Erde, nicht in großem Maße davon betroffen zu sein. Die Auswertung von Messstationsdaten ergibt eine saisonale Abküh- lung der ostantarktischen Seite in den Sommermonaten. Allerdings sind an der Antarktischen Halbinsel ein starker Temperaturanstieg und dramatischer Rückgang der Eisschelfe zu beob- achten, welche eine Folge der Intensivierung der atmosphärischen Zirkulation und der lokalen Erwärmung des Ozeans sind. Ein weiterer Aspekt des antarktischen Klimawandels ist die beobachtete Zunahme der Mee- reisausdehnung während der Sommer- und Herbstmonate. Beobachtungs- und Modellstudien stellen einen Zusammenhang zwischen der troposphärischen Zirkulationsänderung sowie der Entwicklung der antarktischen Obeflächentemperatur und der Entstehung des stratosphärischen Ozonlochs her. Ebenso wird die Zunahme der Meereisfläche als dynamische Folge der Intensivierung der atmosphärischen Zirkulation betrachtet. In dieser Arbeit wird der Einfluss der atmosphärischen Zirkulation auf den Ozean, die Meereisausdeh- nung sowie das bodennahe Klima der Antarktis anhand von idealisierten Modellsimulationen untersucht, wobei die Rolle der Treibhausgaszunahme sowie der Entwicklung des antarktischen Ozons abgeschätzt wird. Hierfür wurde das Klima-Chemie Modell EMAC an das Ozeanmodell MPI-OM gekoppelt (EMAC-O) und anschließend „getuned“. Durch die Erweiterung von EMAC mit dem Ozeanmodell können die Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre und dem Ozean konsistent simuliert werden. Es wird gezeigt, dass sich mit der atmosphärischen Zirkulation die Stärke der meridionalen Zir- kulation (MOC für Meridional Overturning Circulation) sowie der meridionale Transport der Wärme ändern, infolgedessen die im Ozean absorbierte Wärme verstärkt Richtung des antark- tischen Kontinents transportiert wird. Die mit EMAC-O simulierte Erwärmung des Südozeans stimmt mit den Beobachtungen überein. Die Entwicklung des antarktischen Meereises ist im Modell jedoch gegensätzlich zu den Beobachtungen, die simulierten Änderungen sowohl der Gesamtmeereisfläche als auch der regionalen Änderungen sind jedoch nicht signifikant unter- schiedlich von Null in diesem Zeitraum. Eine mit der Verstärkung des Tiefdruckgebiets im Bereich des Amundsenmeeres (ASL für Amundsen Sea Low) einhergehende regionale Erhö- hung der Meereisfläche wird ebenfalls nicht simuliert. Eine mögliche Erklärung hierfür ist, dass durch die verwendete Parameterisierung der subska- ligen Wirbelstrukturen (Eddies) im Ozeanmodell der Einfluss des Windschubs sowohl auf den meridionalen Transport von Wärme als auch auf die Stärke der MOC überschätzt wird. Durch die Verlagerung und Verstärkung des troposphärischen Jets als Folge der Ozon- und Treibhausgasänderungen werden veränderte Ausbreitungsbedingungen der troposphärischen Wellen, eine verstärkte Anregung in der oberen Troposphäre und eine verstärkte Konvergenz über den polaren Gebieten festgestellt. Die Dissipation der Wellen, welche mit der Abgabe des Impulses und der Wärme an den Grundstrom einhergeht, ist verbunden mit verstärktem Ab- sinken und adiabatischem Erwärmen der polaren Luftmassen, wodurch es zu einer Reduktion des Bedeckungsgrades und auch zu geringerem Niederschlag und verstärkter Abkühlung des antarktischen Kontinents kommt. Die Verstärkung des ASL ist in EMAC-O mit einem erhöhten regionalen Wärmeeintrag und einem lokalen Temperaturanstieg in der Westantarktis verbunden, während eine ostwärtige Verlagerung des Zentrums des ASL zur Erwärmung der Antarktischen Halbinsel in Beobach- tungsdaten (ERA-Interim) beiträgt. Die Änderung des Trends im Southern Annular Mode (SAM) im 21. Jahrhundert bewirkt einen kurzzeitigen negatven Trend im Wärmeinhalt des Südozeans, gefolgt von einer erneuten Verstärkung des Anstiegs des Wärmeinhalts. Eine Beschleunigung des negativen Trends im antarktischen Meereis durch den thermischen Einfluss des gestiegenen Wärmeinhalts im Süd- ozean findet statt. Eine Erwärmung des antarktischen Kontinents als Folge des Treibhausgasanstiegs wird bis zum Ende des 21. Jahrhunderts prognostiziert, wobei die äquatorwärtige Verlagerung des ASL zu einer lokalen Abnahme des meridionalen Wärmeflusses und dem ausbleibendem Anstieg der Oberflächentemperatur in der Westantarktis führt. : The Antarctic climate change is of a very intriguing nature and by far counterintuitive. In con- trast to the regional Arctic warming, claimed to be the strongest worldwide, which is accom- panied by the melt of the permafrost, glaciers and sea ice, the bulk of the Antarctic continent seems to be untouched by the imprint of global warming. Indeed the observations of the surface temperature show a cooling during the summer season. However, the region of the Antarctic Peninsula has experienced a strong temperature increase during the last decades, if not even stronger compared to the one in the Arctic, taking into account the length of the time scale of the changes. It is accompanied by the vast disintegration of the ice shelves and the volume loss of glaciers, most likely due to the intensification of the atmospheric circulation and the local increase in the ocean heat content. An additional charcteristic of the Antarctic climate change is the increase in the sea ice area during summer and autumn. Observational as well as modeling studies attribute the change in the atmospheric circulation as well as the observed summer cooling of the East Antarctica and warming of the Antarctic Peninsula to the occurence of the Antarctic ozone hole. The increase of the sea ice area is explained to be of dynamic origin due to the intensification of the atmospheric circulation. In the present study the impact of changes in the atmospheric circulation as a consequence of the occurence of the ozone hole and the increasing levels of the greenhouse gases (GHG) on the ocean, sea ice and the Antarctic surface are analysed using the chemistry-climate model EMAC coupled to an interactive ocean/sea ice model MPI-OM. The extension of EMAC by an ocean model, accompanied by subsequent tuning experiments, carried out within the framework of this study, allows a consistent treatment of the atmosphere-ocean interactions. It is shown that the intensity of the meridional overturning circulation (MOC) and the meri- dional poleward heat transport are influenced by the changes in the atmospheric circulation. The simulated increase in the heat content of the Southern Ocean is supported by the obser- vations. However, the development of the modeled Antarctic sea ice extent does not fit to the observations, though the decrease of the summer sea ice is not significantly different from zero. The regional changes, such as a local increase of the sea ice in the area of the Ross Sea due to the intensification of the Amundsen Sea Low (ASL), are not captured well either. A possible explanation of this discrepancy is the usage of the standard parameterisation scheme of the wind stress on the ocean surface used in MPI- OM, leading to an overestimation of the meridional heat transport due to the MOC and the ocean eddies. The poleward shift and intensification of the tropospheric jet lead to a modification of the background conditions for the propagation of tropospheric planetary and synoptic waves, with an increased generation of the waves in the upper troposphere. The concurrent increase of the convergence and the dissipation of the waves in the area of the South Pole lead to an increased subsidence of the air in the polar vortex and an adiabatic heating, with a concomitant reduc- tion of the cloud cover over the areas of the Antarctic continent and a radiative cooling of the surface. The intensification of the ASL in EMAC leads to an intensified meridional heat transport in West Antarctica and an increase of surface tmperature, while the observed warming of the Antarctic Peninsula is a result of the eastward displacement of the centre of the ASL. The future changes in the trend of the Souther Annular Mode (SAM) due to the ozone recovery and the increase of the GHG concentrations lead to a short-time deceleration of the modeled trend with a subsequent intensification of the ocean heat content trend.The sea ice area is experiencing an acceleration in its decline due to thermal changes in the ocean. An increase of the surface temperature is projected almost over the entire Antarctic continent, with an exception of West Antarctica, where no change occurs in the surface temperature, due to the aquatorward displacement of the centre of the ASL. |
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