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Atmospheric and surface pathways of the cloud-radiative impact on the circulation response to global warming
Manuel Huber
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Meteorologie
Betreuer*in
Aiko Voigt
DOI
10.25365/thesis.71806
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-27098.92275.356744-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass Unterschiede in der Antwort des bodennahen Zonalwindes und der polwärts gerichteten Verschiebung des Jetstreams, hervorgerufen durch die globale Erwärmung in Klimamodellen, stark von Unterschieden in den Wolkenstrahlungseffekten der oberen Troposphäre der tropischen und mittleren Breitengraden abhängen. Hier unterscheidet man zwischen dem sogenannten "atmospheric pathway", der Wolkenstrahlungseffekte, die keinen Einfluss auf die Meeresoberflächentemperaturen haben, beschreibt und den "surface pathway", welcher Wolkenstrahlungseffekte beschreibt, die Einfluss auf Meeresoberfächentemperaturen haben. Es hat sich herausgestellt, dass beide in etwa zu gleichen Teilen zur polewärtsgerichteten Zirkulationsexpansion durch die globale Erwärmung beitragen. Aufbauend auf der Arbeit von Voigt et al. (2019) und Albern et al. (2019) werfen wir einen genaueren Blick auf den "surface pathway" und "atmospheric pathway" auf einer globalen Skala sowie für den Nordatlantik, Nordpazifik und das Ozeanbecken der Südhemisphäre. Dafür verwenden wir die Version 2.6.2.2 des Atmosphärenmodells ICON und die Parametrisierungen der atmosphärischen Physik, entwickelt für Klimasimulationen. Wir führen drei Simulationssätze mit der cloud-locking Methode durch um den Beitrag von Wolkenänderungen zur Zirkulationsantwort festzustellen. Im ersten Simulationssatz koppeln wir ICON mit einem thermodynamischen Ozean und die globale Erwärmung wird durch eine Vervierfachung von CO2 simuliert. Der thermodynamischen Ozean erlaubt die gleichzeitige Aktivität des "surface pathway" und "atmospheric pathway". Im zweiten Simulationssatz schreiben wir die Meeresoberflächentemperaturen durch die Klimatologie der Meeresober- flächentemperaturen des ersten Simulationssatzes vor; so kann der "atmospheric pathway" isoliert werden. Im letzten Simulationssatz schreiben wir die Meeresoberflächentemperaturen durch das CMIP5 AMIP Protokoll vor und die globale Erwärmung wird durch eine einheitliche Erhöhung der Meeresoberflächentemperaturen um 4 Kelvin simuliert. Der letzte Simulationssatz erlaubt uns, unsere Ergebnisse mit vorherigen Untersuchungen zu vergleichen. Wir zeigen, dass Wolken in ICON 2.6.2.2, betrieben mit der Parametrisierungen, entwick- elt für Klimasimulationen, die totale Zirkulationsantwort dominieren. Der "atmospheric pathway" trägt zur Hälfte der gesamten polwärtigen Verschiebung des Jetstreams in der Nordhemisphäre und Südhemisphäre bei. Insgesamt ist der Wolkeneinfluss robust für einen Großteil der polwärtigen Jetverschiebung in allen von uns durchgeführten Experimenten sowie über alle großen Ozeanbecken hinweg verantwortlich. Für den "atmospheric" und den "surface pathway" stellen wir einen zonalsymmetrischen Wolkeneinfluss um den Breitengrad des Jetstreams in allen Simulationen und in allen Ozeanbecken fest. Der "surface pathway" trägt zwei Drittel der polwärtigen Verschiebung der subtropischen Trockenzone bei. Außerdem demonstrieren wir, dass Änderungen des Wolkenheizens in der oberen Troposphäre, approximiert durch die Aufwärtsverschiebung das Wolkenheizens der Gegenwart, qualitative Änderungen des zukünftigen Wolkenheizens abbilden können. Unsere Ergebnisse un- terstützen die Möglichkeit zur Einschränkung von Modellfehlern und Modellunterschieden, durch einen robusten Aufstieg von hoher Bewölkung der tropischen sowie mittleren Breitengrade bei globaler Erwärmung, aber auch durch Beobachtungen des Wolkenheizens der Gegenwart.
Abstract
(Englisch)
Previous work showed that differences in the near-surface zonal wind response and the poleward midlatitude jet shift under global warming across climate models strongly depend on differences in tropical and midlatitude upper-tropospheric cloud-radiative heating changes. It has emerged that the atmospheric pathway, which is the cloud-radiative impact without having an influence on the sea surface temperature (SST), and the surface pathway, which arises from the cloud-radiative impact on SST, contribute about equally to the poleward circulation expansion in response to global warming in the MPI-ESM model. Building upon the work of Voigt et al. (2019) and Albern et al. (2019), in this study we take a closer look at the surface and atmospheric pathways on a global scale as well as for the North Atlantic, the North Pacific, and the Southern Hemisphere ocean basin. We use the version 2.6.2.2 of ICON, the Icosahedral Nonhydrostatic Modelling Framework, and run it with the climate physics package. We conduct three simulation sets with the cloud-locking method to determine the contribution of cloud changes to the total circulation response. In the first set of simulations, ICON is coupled to a thermodynamic slab ocean and global warming is mimicked by quadrupling of CO2. The slab ocean allows for the combined activity of the surface and the atmospheric pathways. In the second set of simulations, climatological SSTs from the first set of simulations are prescribed to isolate the atmospheric pathway, and in the last set of simulations, SSTs are prescribed to the CMIP5 AMIP protocol and global warming is mimicked by a uniform SST increase of 4 K to compare our results to former investigations. We show that clouds dominate the total circulation response in ICON 2.6.2.2 run with the climate physics package. The atmospheric pathway accounts for half of the total jet shift in the Northern and Southern Hemispheres. Overall, the cloud impact is robustly responsible for a large part of the poleward jet shift across all experimental setups and in all three ocean basins. For the atmospheric as well as the surface pathway, we find a zonally symmetric cloud impact around the jet latitude in all simulation sets and all ocean basins. The surface pathway accounts for approximately two thirds of the poleward shift of the subtropical dry zones in both hemispheres. We also demonstrate that changes in upper-tropospheric cloud-radiative heating obtained with an upward shift of the present-day cloud-radiative heating are qualitatively able to capture future cloud-radiative heating changes in our simulations. Our findings support the possibility of constraining model biases and intermodel spread using the robust rise of tropical and midlatitude high-level clouds under global warming, as well as observations of current cloud-radiative heating.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Wolkenstrahlungsheizen atmosphärischer Weg oberflächlicher Weg Jetverschiebung Cloud-locking-Methode Aufwärtsverschiebung Klimamodell
Schlagwörter
(Englisch)
cloud-radiative heating atmospheric pathway surface pathway jet shift cloud-locking method upward shift climate model
Autor*innen
Manuel Huber
Haupttitel (Englisch)
Atmospheric and surface pathways of the cloud-radiative impact on the circulation response to global warming
Paralleltitel (Deutsch)
Der Einfluss der "atmospheric" und "surface pathways" von Wolkenstrahlungseffekten auf die Zirkulationsantwort bei globaler Erwärmung
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
vi, 71 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Aiko Voigt
AC Nummer
AC16590387
Utheses ID
63548
Studienkennzahl
UA | 066 | 614 | |