Zeitscheibenexperimente mit dem atmosphärischen Zirkulationsmodell T42-ECHAM3 für eine verdoppelte und verdreifachte CO2-Konzentration unter besonderer Beachtung der Änderungen der nordhemisphärischen troposphärischen Dynamik

• Main Author: Perlwitz, J.
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: German
• Published: University of Hamburg 1997
• Subjects: Atlantik; Pacific; Grönland; North Atlantic
• Online Access: http://hdl.handle.net/21.11116/0000-0005-D49A-E; http://hdl.handle.net/21.11116/0000-0005-D49C-C

In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse aus 30-Jahre-Zeitscheibenexperimenten mit dem relativ hochauflösenden Hamburger Allgemeinen Zirkulationsmodell der Atmosphäre T42-ECHAM3 vorgestellt. Die Experimente wurden sowohl für eine CO2-Verdopplung als auch eine CO2-Verdreifachung durchgeführt, wodurch die Aufdeckung eines eventuellen nichtlinearen Verhaltens der Signale mit zunehmender CO2-Konzentration ermöglicht wird. Im Vergleich zu anderen Studien, in denen ein ähnlicher Ansatz gewählt wurde, wird sich auf relativ lange Experimente gestützt und es werden statt nur des Winters alle Jahreszeiten in die Analyse einbezogen. Das verwendete Verfahren zur Bestimmung der statistische Signifikanz der Signale berücksichtigt die interdekadische Variabilität im 100-Jahre- Kontrollexperiment, so daß eine große Sicherheit der Ergebnisse erreicht wird. Besonderer Augenmerk wird auf die Änderungen der nordhemisphärischen troposphärischen Dynamik, deren einzelne Eigenschaften systematisch und in ihrer wechselseitigen Abhängigkeit untersucht werden, gelegt. Die allgemeinen Eigenschaften der Anderungen der 2-m-Temperatur bei einer Erhöhung der CO2-Konzentration wie die globale Temperaturzunahme, die Herausbildung eines deutlichen Land-Meer-Kontrastes der Erwärmung und die starke polare Erwärmung vor allem im Winter stimmen mit den Ergebnissen, die durch andere Forschungsgruppen erhalten wurden, gut überein. Der hydrologische Zyklus intensiviert sich mit zunehmender CO2-Konzentration. Die Änderungen sind sowohl im globalen Mittel als auch in einzelnen Regionen nichtlinear. In den tropischen Hauptkonvergenzzonen steht durch eine größere Freisetzung latenter Wärme in der oberen tropischen Troposphäre mehr Energie für den Antrieb der atmosphärischen Zirkulation zur Verfügung. In allen Jahreszeiten wurden signifikante Anderungen der verschiedenen Eigenschaften der nordhemisphärischen troposphärischen Dynamik wie Strahlstrom, stationäre Wellen, transiente Wellen und barokline und barotrope Wechselwirkung der transienten Wellen mit dem Grundstrom bei einer erhöhten CO2-Konzentration gefunden. Dabei wurde während der Untersuchung festgestellt, daß in den Experimenten alle Eigenschaften auch unter stationären Randbedingungen eine beträchtliche interdekadische Variabilität aufweisen, die es zu beachten galt. Ein wichtiges Ergebnis der Untersuchung ist, daß in den Zeitscheibenexperimenten in allen Jahreszeiten in der subtropischen mittleren Troposphäre Gebiete zu finden sind, in denen die Temperaturzunahme maximal ist. Diese Maxima liegen in den Absinkgebieten der Hadley-Zirkulation und werden durch adiabatische Erwärmung verursacht. Zwischen diesen Maxima der Erwärmung und den Minima der Erwärmung in den Trögen über den nördlichen Ozeangebieten liegen in den mittleren Breiten die Gebiete der stärksten Baroklinitätszunahme bei einer erhöhten CO2-Konzentration. Die Kenntnis dieses Zusammenhangs trägt ztt einem besseren Verständnis bei, wie sich die Änderungen der transienten Wellenaktivität räumlich verteilen. Im Winter dominiert ein stationäres Wellensignal, das über dem Nordpazifrk und Nordamerika bei einer CO2-Erhöhung angeregt wird, die Zirkulationsänderung. Das Signal, das im 2xCO2-Experiment stärker als im 3xCO2-Experiment ist, ähnelt sehr dem Pazifik-Nordamerika-Telekonnektionsmuster (PNA). Das nichtlineare Verhalten mit zunehmender CO2-Konzentration wird durch die nichtlineare Änderung der Wärmeflußkonvergenz durch hochfrequente transiente Wellen, von der die Anregung stationärer Wellenaktivität über dem nördlichen Pazifik abhängt, verursacht. Diese Wärmeflußkonvergenz über dem Nordpazifik verringert sich im Vergleich zum ZxCO2-Experiment wieder im 3xCO2-Experiment. Ursache hierfür ist die starke polare Erwärmung im V/inter, die im 3xCO2- Experiment einer weiteren Zunahme der Baroklinität, die Bedingung für die Genese transienter Wellen ist, entgegenwirkt. In der Ähnlichkeit stationärer Wellensignale bei einer Erhöhung der CO2-Konzentration mit bekannten Telekonnektionsmustern liegt ein Potential für die Untersuchung regionaler Klimaänderungen. In den anderen Jahreszeiten beeinflußt die Hadley-Zirkulation über dem Nordatlantik und Europa am stärksten die Änderungen der nordhemisphärischen troposphärischen Dynamik. Dieser Einfluß ist in den Üb"tgungrjahreszeiten, in denen sich die HadIey-Zirkulation in signifikanter Weise intensiviert, besonders stark ausgeprägt. Übe. dem nördlichen Nordatlantik, wo eine Zunahme der Wärmeflußkonvergenz durch transiente Wellen zu beobachten ist, wird im Frühling ein stationäres Wellensignal angeregt, das sich nach Osten ausbreitet. Es ähnelt dem Westatlantischen (V/A) und dem Eurasischen Telekonnektionsmuster (EU). Im Sommer und Herbst breitet sich ein stationärer Wellenzug von einem Gebiet nahe Grönland ausgehend nach Südosten aus. Eine größere Variabilität durch hochfrequente transiente Wellen ist in den Zeitscheibenexperimenten in einzelnen geographischen Regionen zu beobachten. Die Änderungen sind in den Übergangsjahreszeiten bedeutend größer und stärker signifikant als im V/inter. Im Winter nimmt die Variabilität im 2xCO2-Experiment über dem Nordatlantik und dem Nordpazifik zu, zeigt aber im 3xCO2-Experiment keine zusätzliche deutliche Anderung. In den anderen Jahreszeiten ist das Signal im 3xCO2-Experiment stärker als im 2xCO2-Experiment. Die Gebiete mit einer Zunahme der hochfrequenten transienten Wellen sind im Frühling vor allem Nordamerika und der Nordatlantik und im Sommer der Nordatlantik und das nördliche Europa. Im Herbst nimmt die Variabilität in einem Gebiet, das sich vom nordöstlichen Atlantik über das nördliche Europa bis weit nach Osteuropa hinein erstreckt, sehr stark zu. Mit der vorgelegten Arbeit wurde gezeigt, daß Zeitscheibenexperimente ein geeignetes Mittel sind, um mit einem atmosphärischen Zirkulationsmodell die Anderungen der atmosphärischen Dynamik für eine erhöhte CO2-Konzentration und für entsprechend veränderte untere Randbedingungen zu untersuchen. Zum Verständnis dieser Anderungen wurde ein wichtiger Beitrag geleistet. Die erhaltenen signifikanten Änderungen der nordhemisphärischen troposphärischen Dynamik unterscheiden sich zwischen den einzelnen Jahreszeiten wesentlich. Besonders große Unterschiede sind zwischen der Winterzirkulation und der Zirkulation in den anderen Jahreszeiten zu finden, in denen grundlegend verschiedene dynamische Prozesse die Signale dominieren. In folgenden Studien sollten deswegen alle Jahreszeiten analysiert werden. In this study, the results of time-slice experiments are presented. These were carried out using the relatively high resolution Hamburg atmospheric general circulation model T42- ECHAM3. The experiments were done both for CO2-doubling and CO2-tripling to investi- Eate a possible nonlinear response to an increase in the CO2-concentration. In comparison to other studies using a similar approach, these time-slice experiments have a relatively long integration length. Additionally, all seasons arc analyzed instead of only the winter. The approach, used to estimate the statistical significance of the responses, takes into account the interdecadal variability of the 100 year control experiment. Therefore there is a great reliability of the results. Particular attention is paid to the changes of the tropo- spheric dynamics in the Northern Hemisphere. The features of these changes are investigated systematically and studied for their mutual dependence. The general features of the near surface temperature changes due to the higher CO2-concentration, such as the global temperature increase, the enhanced land-sea contrast of the warming and the pronounced polar warming in winter, agree well with the results obtained by other research groups. The hydrological cycle intensifies with increased CO2-concen- tration. The changes are nonlinear both in the global mean and in certain regions. Due to a greater release of latent heat in the tropical convergence zones, there is more energy to drive the atmospheric circulation. In all season, significant changes of the various features in the tropospheric dynamics, such as the jet stream, the stationary waves, the transient waves and the baroclinic and barotropic interaction between the transient waves and the base flow, were found in the Northern Hemisphere for an increased CO2-concentration. During the examination it was discovered that all these features show a large interdecadal variability given stationary lower boundary conditions. This had to be taken into consideration. A significant result of this study is that regions with a maximal temperature increase can be found in the subtropical middle troposphere in all seasons for an increased CO2-concentration. These maxima, caused by an adiabatic warming, are located in the areas in which the air descends in the Hadley circulation system. The regions with the strongest baroclinicity increase, in the time-slice experiments, are situated in the midlatitudes between the areas with the maximal temperature increase in the subtropics, and the areas with the minimal temperature increase in the troughs in the high latitudes over the oceans. Knowing about this effect helps to explain the horizontal distribution of the changes in the transient wave activity. In winter, a stationary wave response, located over the North Pacific and North America, dominates the circulation change. This response, which is larger for 2xCO2 than for 3xCO2, is very similar to the Pacific/North America teleconnection pattern (PNA). This nonlinear response depends on the nonlinear change in the heat flux convergence, induced by high frequency transient waves, over the North Pacific. The heat flux convergence, generating stationary wave activity, enhances with the change of the CO2-concentration from 1.xCO2to 2xCO2, but decreases with the change from 2xCO2to 3xCO2. The reason for this is the strong winter polar warming in the 3xCO2-experiment counteracting the additional increase in baroclinicity as a condition for the generation of transient waves. A similarity between a stationary wave response, like this, and well-known teleconnection patterns gives a potential for forecasting regional climate changes. In the seasons other than the winter one, the Hadley circulation over the North Atlantic exerts the greatest influence on changes in the tropospheric dynamics in the Northern Hemisphere. This influence is particularly strong in spring and autumn, when the Hadley circulation intensifies significantly. In spring, a stationary wave response, propagating eastwards, is generated over the northern North Atlantic, where an increase in the heat flux convergence, due to transient waves, can be found. This response is similar to the Western Atlantic (WA) and the Eurasian (EU) teleconnection pattern. In summer and autumn, a wave train propagates south-eastwards. A larger variability, caused by high frequency transient waves, is found in some geographical regions in the time-slice experiments. The changes are more marked and evidently more statistically significant in spring and autumn than in winter. In winter, the variability increases over the North Atlantic and the North Pacific in the ZxCO2-experiment, but shows only a marginally further change in the 3xCO2-experiment. However, in the seasons other than the winter one, the responses are greater in the 3xCO2-experiment than in the 2xCO2-experiment. In spring, the regions with an increased variability are North America and the North Atlantic. In summer, the regions are the North Atlantic and northern Europe. In autumn, there is a very large increase in variability in an area extending from the north-eastern Atlantic over northern Europe to eastern Europe. In this study it has been shown that time-slice experiments, using an atmosphere circulation model , are a suitable approach to investigate the response of the atmospheric dynam- ics to an increased CO2-concentration and correspondingly changed lower boundary conditions. An important contribution has been made to our understanding of the changes in atmospheric dynamics. These significant changes are substantially different in the various seasons. Particularly large differences are found between the winter circulation and the circulations in the other seasons, in which the responses are dominated by substantially different dynamic processes. According to these results, all seasons should be included in any analysis in future studies.