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Cloud radiative effects of high-level clouds and their impact on climate
Kerstin Haslehner
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Meteorologie
Betreuer*in
Aiko Voigt
Mitbetreuer*in
Blaž Gasparini
DOI
10.25365/thesis.73726
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-12656.24780.897634-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In dieser Arbeit untersuche ich die Wechselwirkungen zwischen Strahlung und hohen Wolken, die ich als Wolken mit einer Wolkenobergrenze bei einer Temperatur unter -35°C definiere, anhand von Klimasimulationen mit dem Modell ICON-ESM. Die Arbeit enthält zwei Teile: Erstens analysiere ich zwei verschiedene Arten, hohe Wolken zu diagnostizieren, und zwei verschiedene Methoden, die Wolken-Strahlungseffekte und Wolken-Strahlungsheizraten zu berechnen. Zweitens untersuche ich den Strahlungseinfluss hoher Wolken auf die atmosphärische Zirkulation und den Niederschlag. Eine Möglichkeit, hohe Wolken aus den Simulationsdaten zu bestimmen, besteht darin, alle Wolken als hohe Wolken zu definieren, deren Temperatur unter einem bestimmten Schwellenwert liegt. Diese Art, hohe Wolken zu diagnostizieren, bezeichne ich als die „Cirrus-Diagnostik“. In dieser Arbeit analysiere ich die Wolken-Strahlungseffekte und die Wolken-Strahlungsheizraten von hohen Wolken unter Verwendung der „Cirrus-Diagnostik“, was bisher noch nicht sehr detailliert gemacht wurde. Ich verwende dabei eine Schwellenwert-Temperatur von -35°C. Interessanterweise führt die Verwendung der „Cirrus-Diagnostik“ zu einer starken künstlichen Strahlungserwärmung der Wolken an der Schwellenwert-Temperatur. Diese starke Strahlungserwärmung resultiert daraus, dass bei diesem Ansatz einzelne Wolken, deren Obergrenze bei einer Temperatur kälter als der Schwellenwert liegt und deren Basis bei einer Temperatur wärmer als der Schwellenwert liegt, in eine hohe Wolke und eine nicht-hohe Wolke auftrennt, wodurch eine künstliche Cirrus-Wolkenbasis bei der Schwellenwert-Temperatur ensteht. Um die künstliche Erwärmung zu vermeiden, untersuche ich auch eine zweite Diagnose-Methode, die „Cirrus + warme Basis- Diagnostik“, die bisher noch nie untersucht wurde. Diese Diagnostik berücksichtigt immer die gesamte hohe Wolke, sofern zumindest die Wolkenobergrenze bei einer Temperatur unter -35°C liegt. Aus diesem Grund tritt keine künstliche Erwärmung an der Schwellenwert-Temperatur auf. Darüber hinaus untersuche ich jeweils zwei verschiedene Methoden, die Wolken-Strahlungseffekte und die Wolken-Strahlungsheizraten zu berechnen. In der ersten Methode ermittle ich die Wolken-Strahlungseffekte/-heizraten in Bezug auf eine Atmosphäre mit strahlungsaktiven Wolken und in der zweiten Methode in Bezug auf eine wolkenlose Atmosphäre. Im Allgemeinen unterscheiden sich die Methoden deutlich und die Wolken-Strahlungseffekte/-heizraten sind nur gleich in einer atmosphärischen Säule, in der keine Wolken oder nur hohe Wolken vorhanden sind. Die Verwendung der zweiten Methode führt zu absolut größeren kurzwelligen und langwelligen Effekten als die erste Methode, da die nicht-hohen-Wolken teilweise die Effekte der hohen Wolken maskieren. Frühere Arbeiten haben vermutet, dass die Strahlungsheizung hoher Wolken, eine wichtige Rolle für die Ausprägung des Klimas spielt, aber dies wurde bisher noch nicht explizit untersucht. Um den Einfluss der Strahlungsheizung hoher Wolken auf die gegenwärtige atmosphärische Zirkulation und den Niederschlag zu ermitteln, vergleiche ich Simulationen mit und ohne strahlungsaktive hohe Wolken. Meine Ergebnisse zeigen, dass die Strahlungsinteraktionen der hohen Wolken die obere Troposphäre in den Tropen erwärmen. Dies erhöht die spezifische Feuchte in den Tropen und verstärkt den polaren Jetstream. Es gibt keinen statistisch signifikanten Wolken-Strahlungseinfluss der hohen Wolken auf die Stärke der Hadley-Zelle und die Position der intertropischen Konvergenzzone in meinen Simulationen. Ich zeige jedoch, dass die Strahlungswechselwirkungen der hohe Wolken den größten Beitrag aller Wolken zur Reduktion des mittleren tropischen Niederschlags liefern. Meine Ergebnisse unterstreichen und bestätigen insgesamt die Wichtigkeit der Strahlungswechselwirkungen hoher Wolken für das Klima. Obwohl die Strahlungsheizung der Atmosphäre bei Verwendung der „Cirrus-Diagnostik“ und der „Cirrus + warme Basis- Diagnostik“ in der Höhe der Schwellenwert-Temperatur beträchtliche Unterschiede aufweist, unterscheiden sich die Auswirkungen auf die Zirkulation und den Niederschlag zwischen den beiden Diagnose-Methoden meist nur in der Größenordnung.
Abstract
(Englisch)
In this thesis, I study the interactions between radiation and high-level clouds, which I define as clouds with a cloud top at temperatures colder than -35°C, using climate simulations with the model ICON-ESM. The thesis consists of two parts: First, I investigate two different ways to diagnose high-level clouds and two different methods to compute the cloud radiative effects and cloud radiative heating of high-level clouds. Second, I study the impact of the radiative interactions of high-level clouds on present-day atmospheric circulation and precipitation. A possible way to diagnose high-level clouds from simulation data is to define all clouds colder than a temperature threshold as high-level clouds. I call this way of diagnosing high-level clouds the "cirrus diagnostic". I study the cloud radiative effects and cloud radiative heating rates of high-level clouds using the "cirrus diagnostic", which has not been done in much detail so far. The temperature threshold that I use in this diagnostic is -35°C. Interestingly, I found that the use of the "cirrus diagnostic" causes a strong artificial cloud radiative heating of high-level clouds at the temperature threshold. This strong heating arises due to individual clouds with a cloud top at temperatures colder than the threshold and a cloud base at temperatures warmer than the threshold being separated by the diagnostic into a high-level cloud and a non-high-level cloud, thereby creating an artificial cloud base of the high-level cloud at the temperature threshold. To avoid the artificial heating, I also study a second diagnostic, the "cirrus + warm base diagnostic", which has never been investigated so far. This diagnostic always considers the entire cloud as a high-level cloud, if at least the cloud top is at temperatures colder than -35°C. Therefore, there is no artificial heating at the temperature threshold level when using this diagnostic. Furthermore, I investigate two methods to calculate the cloud radiative effects and the cloud radiative heating of high-level clouds, respectively. In the first method, I compute the cloud radiative effects and heating rates with respect to an all-sky atmosphere, and in the second method with respect to a clear-sky atmosphere. In general, the two methods differ and the radiative effects or heating rates are the same only in an atmospheric column where no clouds or only high-level clouds are present. The use of the second method results in shortwave and longwave effects of greater magnitude than the first method, because non-high-level clouds partially mask the effects of the high-level clouds. Previous work has speculated that the radiative heating of high-level clouds plays a significant role in shaping the climate, however this has not been explicitly studied so far. To investigate the impact of the radiative heating of high-level clouds on the present-day atmospheric circulation and precipitation, I compare simulations with and without radiatively active high-level clouds. My results show that the radiative interactions of high-level clouds heat the tropical upper troposphere, which increases specific humidity in the tropics and strengthens the eddy-driven jet stream. There are no statistically significant cloud radiative impacts of the high-level clouds on the Hadley cell strength and the position of the Inter-Tropical-Convergence-Zone found in my simulations. However, I show that the radiative interactions of high-level clouds have the largest contribution of all clouds to the decrease in tropical mean precipitation. Overall, my results highlight and confirm the importance of the radiative interactions of high-level clouds for the climate. Although the radiative heating of high-level clouds differs considerably between "cirrus diagnostic" and the "cirrus + warm base diagnostic" around the temperature threshold level, the impacts on the circulation and precipitation between the two diagnostics vary mostly only in magnitude.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
hohe Wolken Wolken-Strahlungseffekte Wolken-Strahlungsheizung Klimasimulationen ICON-ESM COOKIE-Methode
Schlagwörter
(Englisch)
high-level clouds cloud radiative effects cloud radiative heating climate simulations ICON-ESM COOKIE method
Autor*innen
Kerstin Haslehner
Haupttitel (Englisch)
Cloud radiative effects of high-level clouds and their impact on climate
Paralleltitel (Deutsch)
Wolken-Strahlungseffekte hoher Wolken und ihr Einfluss auf das Klima
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
67 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Aiko Voigt
AC Nummer
AC16872099
Utheses ID
67015
Studienkennzahl
UA | 066 | 614 | |