Abstract
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.
