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Abstract:
The winter time stratospheric circulation and the tropospheric storm track responses
to global warming remain uncertain. Further, the understanding of the mechanisms
by which the winter time stratospheric circulation response impact the tropospheric
eddy-driven jet and storm track response is still incomplete. The framework of this
thesis aims at isolating the mechanisms relevant for stratospheric circulation responses
in order to constrain uncertainties. This is pursued by developing and applying
the idealized ICON-DRY model. It is tailored to study the stratosphere-troposphere
coupled response. More precisely, the model is constructed in such a way that it is
non-simplified regarding the presentation of radiative processes, but highly idealized
regarding the representation of moist processes. The dry tropospheric circulation is
then forced by idealized prescribed zonally symmetric thermal forcing that substitutes
moisture-related heating processes.
The model framework allows for prescribing additional thermal forcing. The procedure
to test the circulation response to external forcing is, therefore, technically similar to the
procedure in dry dynamical core models, but with a full representation of radiation-
wave interactions. The experiments are performed by prescribing idealized additional
thermal forcing that resembles Tropical Amplification (TA), Polar Amplification (PA)
and CO2 induced Stratopause Cooling (SC) in combination with idealized orography.
If only dry transient waves are involved in the response to TA, wave propagation
changes dominate and wave generation changes are rather unimportant. Wave prop-
agation changes are highly sensitive to the mean state of the control experiment’s
eddy-driven jet position. An increase of wave generation is only found, if stationary
waves or moisture are included in the response to TA or if an additional zonally asym-
metric PA is prescribed.
The presence of moisture leads to increased tropospheric wave generation amplifying
the high latitude dissipation change and the easterly change of the polar vortex. Further,
planetary wave generation increases potentially through and upward energy transfer
from synoptic-scale waves.
Under dry conditions, if stationary waves are involved in the response to TA, two competing mechanisms are found: (1) The horizontal EP-flux (associated with wave
propagation), whose response is a robust reduction of high latitude wave dissipation;
and (2) The vertical EP-flux component, whose response is an increase of high latitude
wave dissipation. This wave dissipation increase depends strongly on the surface
orography amplitude. It is found that the decrease of the stratospheric polar vortex is
associated with a significant equatorward shift of the eddy-driven jet. The stratospheric
circulation change is, therefore, found to be the dominant factor in limiting the pole-
ward shift of the eddy-driven jet as a response to TA.
The zonally asymmetric PA poses an additional wave source that increases wave flux
into the stratosphere. If stationary waves are involved, constructive interference of the
anomalous wave response with the stationary wave (orography) is found impacting the
stratospheric circulation mainly due to shifting the preferred region of wave breaking
downward and thereby leading to a pronounced amplification of the stratospheric
response. Moreover, vertically coherent changes of zonal winds indicate a strong pro-
jection of the response onto the annular mode of variability.
The CO2 induced Stratopause Cooling helps to weaken the polar vortex as its response
is in the same direction as the change that is induced by stationary waves (orography).
This suggests that interactive chemistry is needed to avoid stratospheric circulation
biases in climate models.
Concerning the role of the baroclinic eddies in the response to TA, the high latitude
static stability change is found to be intrinsically linked to the eddy-driven jet position
change via the presence of stationary waves, which on their own are dynamically
coupled to the stratospheric change. Since CMIP5 model simulations also show an
increase in the static stability, this thesis identifies a sufficient condition for the static
stability increase as well as the equatorward shift of the eddy-driven jet and storm tracks.
Abstract:
Die Auswirkungen der globalen Erwärmung auf die stratosphärische Zirkulation
und die troposphärische subpolare Tiefdruckrinne (Zyklonenbahn) sind nach wie vor
unsicher. Des Weiteren ist nicht vollständig verstanden, wie die Veränderung der
stratosphärischen Zirkulation den troposphärischen wirbel-angetriebenen Strahlstrom
und die Zyklonbahnen beeinflusst. Diese Dissertation zielt darauf ab, die im Zusam-
menhang mit der stratosphärischen Zirkulation stehenden Prozesse zu isolieren und
die Unsicherheit damit einzuschränken. Dies wird durch die Entwicklung und Anwen-
dung eines idealisierten Models (ICON-DRY) realisiert. Die spezifische Anpassung
des Models ermöglicht die Auswirkungen auf die stratopshärisch-tropophärische Kop-
plung zu untersuchen. Das Model simuliert Strahlungsprozesse ohne Vereinfachung,
wohingegen Feuchtprozesse stark vereinfacht werden. Die trockene troposphärische
Zirkulation wird durch einen idealisierten zonal-symetrischen thermischen Antrieb
forciert. Der thermische Antrieb substituiert die mit Feuchtprozessen im Zusammen-
hang stehenden diabatischen Erwärmungsraten. Dem Model können zusätzliche
thermische Antriebe vorgeschrieben werden, um die Auswirkung auf einen externen
Antrieb testen zu können. Damit ist die technische Umsetzung vergleichbar mit
derjenigen, die in trockenen dynamischen Modellen (dry dynamical core) verwendet
wird; lediglich mit der Ergänzung, dass ICON-DRY die Interaktionen von Strahlung
und atmopshärischen Wellen vollständig repräsentiert. Die Experimente werden durch
das Vorschreiben zusätzlicher idealisierter thermischer Antriebe, die der tropischen
Temperaturverstärkung (TA), der polaren Temperaturverstärkung (PA) und der durch
CO2 induzierten Stratopausen-Abkühlung (SC) ähneln, in Kombination mit ideal-
isierter Orographie, durchgeführt.
Sind ausschließlich transiente Wellen vorhanden, zeigen sich als Reaktion auf TA ver-
stärkte Änderungen in der Wellenpropagation. Diese wiederum sind sehr sensitiv für
Positionsänderungen des wirbel-angetrieben Strahlstroms. Ein Anstieg der Wellenanre-
gung zeigt sich nur, wenn stationäre Wellen oder Feuchtprozesse einbezogenen werden
oder eine zusätliche zonal asymetrische PA vorgeschrieben wird.
Feuchtprozesse begünstigen die Anregung von troposphährischen Wellen und verstärken die stratosphärische Wellendissipation in den hohen Breiten. Dies führt zu einer
östlichen Windänderung des Polarwirbels. Des Weiteren werden die troposphärischen
planetaren Wellen, vermutlich durch einen aufwärtsgerichteten Enrgietransfer, ver-
stärkt.
Unter trockenen Bedingungen, wenn stationäre Wellen vorhanden sind, zeigen sich
zwei gegensätzliche Mechansimen als Reaktion auf TA: (1) Zum einen führt die Än-
derung der horizontalen EP-fluss-Komponente zu einer robusten Verringerung der
Wellendissiaption in den hohen Breiten; (2) Zum zweiten führt die Änderung der
vertikalen EP-Fluss-Komponente zu einer Verstärkung der Wellendissiption, deren
Änderung wiederum stark von der Amplitude der 0rographie abhängt. Die Änderung
des stratosphärischen Polarwirbels steht in engem Zusammenhang mit der Position-
sänderung des troposphärischen wirbel-angetriebenen Strahlstroms. Die Änderung
der stratosphärischen Zirkulation limitiert die polwärtige Verschiebung des wirbel-
angetriebenen Strahlstroms maßgeblich.
Die zonal asymmetrische PA verursacht zusätzliche Wellen, die den Wellenfluss in die
Stratopshäre erhöhen. Wenn stationäre Wellen vorhanden sind, führt die konstruktive
Interferenz der anomalen Welle mit der stationären Welle zu einer erhöhten Wellendis-
sipation. Dies wird hauptsächlich durch die Verschiebung der Wellendissiaption von
der oberen in die untere Stratospähere verursacht. Dabei kommt es zu einer verstärk-
ten Abschwächung des Polarwirbels. Außerdem indizieren die vertikal kohärenten
Änderungen der zonalen Windgeschwindigkeit eine Projektion auf die Arktische Oszillation.
Die CO2 induzierte Stratopausen-Abkühlung trägt zur Abschwächung des Polar-
wirbels bei, weil ihre Änderungsrichtung der durch stationäre Wellen induzierten Än-
derungsrichtung entspricht. Dies deutet darauf hin, dass interaktive Chemie notwendig
ist, um Fehler bei der stratophärischen Zirkulationänderung in Klimasimulationen zu
vermeiden.
Im Bezug auf die Rolle der baroklinen Wirbel zeigt sich als Reaktion auf TA, dass die
Änderung der statischen Stabilität in den hohen Breiten intrinsisch mit der Position-
sänderung des wirbel-angetriebenen Strahlstroms über die Präsenz der stationären
Wellen verbunden ist. Die stationären Wellen sind ihererseits mit der stratosphärischen
Änderung dynamisch gekoppelt. Da in CMIP5 Simulationen ebenfalls eine Erhöhung
der statischen Stabilität auftritt und diese im Zusammenhang mit der äquatorwärtigen
Verschiebung der wirbel-angetrieben Strahlströme und Zyklonenebahnen steht, zeigt
diese Dissertation eine hinreichende Bedingung für diesen Zusammenhang.
