Using simple models to understand changes in the tropical mean atmosphere under warming

Abstract

In this work, we focus on a few aspects of tropical mean climate, namely the tropical tropopause layer (TTL) and surface temperatures, ozone, and precipitation, and in particular how these change under a CO2 induced warming scenario. Our interest lies in understanding different processes and their interactions, rather than making accurate predictions. As such, we have contributed to the development of two simple numerical models, one for calculating temperature profiles and the other for ozone profiles, as well as creating an analytical model to study mean precipitation and circulation changes.

Our one-dimensional radiative-convective equilibrium model, konrad, allows us to determine how a variety of factors can affect TTL and surface temperatures. The TTL is of particular interest, because there are discrepancies between global climate models regarding its temperature structure and evolution under climate change. The TTL temperatures in our model are sensitive to CO2 concentration, the ozone profile, the inclusion of a high cloud, the method of convective adjustment and the upwelling velocity, which is used to calculate a dynamical cooling rate in the stratosphere. Moreover, the temperature response of the TTL to changes in each of the above factors sometimes depends on the others. With regards to the surface, we are especially interested in the effect of changes in stratospheric ozone under a warming scenario. We perform experiments using our simple ozone scheme, Agatha, as well as idealised ozone profiles and ozone profiles from chemistry climate models. Using Agatha we find that the transport term makes a large contribution to the ozone concentrations in the lower stratosphere, but that chemical reactions in the middle and upper stratosphere also play a role. The surface temperature response to changes in ozone is strongly amplified by both stratospheric and tropospheric water vapour changes.

Finally, using output from konrad and a few simple assumptions such as water and energy balance, we try to explain why rainfall increases in a warming climate and predict how the tropical mean circulation changes to accommodate this. We find precipitation increases of 2.0 to 2.7 % per Kelvin increase in surface temperature, but only 1.4 to 2.0 % K −1 when the increase in surface temperature is caused by CO2. By thinking of the atmosphere as two distinct regions, a saturated moist region of upward motion and a subsidence region, we derive mean circulation. Using this simplistic approach, in a warming climate we find a slowdown of the mean circulation and an increase in upwelling area. However, the upper troposphere is not well represented by our approach, suggesting that the conceptual picture generally accepted by the community needs to be revised.

In dieser Dissertation liegt der Schwerpunkt auf mehreren Aspekten der tropischen Atmosphäre: der tropischen Tropopause (TTL), der Bodentemperatur, dem Ozon und dem Niederschlag und insbesondere der Veränderung dieser Aspekte bei CO2 induzierter Erwärmung. Unser Ziel ist es nicht genaue Prognosen zu erstellen, sondern verschiedene Prozesse und ihr Zusammenspiel zu verstehen. Zu diesem Zweck haben wir zur Entwicklung zweier einfacher numerischer Modelle beigetragen, eines zur Berechnung von Temperaturprofilen, das andere für Ozonprofile. Weiterhin haben wir ein analytisches Modell zur Untersuchung von Nierderschlags- und Zirkulationsveränderungen erstellt.

Mit unserem eindimensionalen Strahlungs-Konvektions-Gleichgewicht Modell, konrad, sind wir in der Lage den Einfluss verschiedener Faktoren auf die TTL und die Bodentemperatur zu untersuchen. Die TTL ist interessant, da globale Klimamodelle in den Prognosen ihrer Temperatur und der durch den Klimawandel verursachten Veränderung dort nicht übereinstimmen. In konrad reagiert die TTL Temperatur auf die CO2 Konzentration, die Ozonprofile, das Einbeziehen einer hohen Wolke, die Methode der konvektiven Anpassung und die Geschwindigkeit, die für die Berechnung einer dynamischen Abkühlung in der Stratosphäre benutzt wird. Darüber hinaus wird die Reaktion der TTL Temperatur auf Veränderungen einer der obengenannten Faktoren manchmal von anderen Faktoren beeinflusst. Bezüglich des Bodens interessieren wir uns insbesondere für die Auswirkung der durch die Erwärmung verursachten Veränderungen stratosphärischen Ozons. Wir führen Experimente mit verschiedenen Konfigurationen des Ozons durch: mit unserem einfachen Ozonmodel Agatha, mit idealisierten Ozonprofilen und mit Ozonprofilen aus Klimamodellen mit gekoppelter Atmosphärenchemie. Mit Agatha finden wir heraus, dass für die Ozonkonzentration in der unteren Stratosphäre vor allem Transportprozesse aber auch chemische Reaktionen in der mittleren und oberen Stratosphäre wichtig sind. Die Reaktion der Bodentemperatur auf Veränderungen des Ozons wird durch stratosphärische und troposphärische Wasserdampfveränderungen stark vergrößert.

Mit den Ergebnissen von konrad und einigen einfachen Annahmen versuchen wir zum einen zu erklären, warum Niederschlag in einem sich wärmenden Klima ansteigt und zum anderen vorherzusagen, wie die tropische mittlere Zirkulation sich daran anpasst. Wir finden einen Anstieg des Niederschlags von 2,0 bis 2,7 % pro Kelvin Erwärmung der Bodentemperatur. Falls die Erwärmung der Bodentemperatur durch CO 2 verursacht wird, reduziert sich der Anstieg auf 1,4 bis 2,0 % K −1 . Indem wir die Atmosphäre in zwei Gebiete aufteilen, ein gesättigtes feuchtes Gebiet, in dem sich die Luft aufwärts bewegt, und ein Gebiet, in dem die Luft absinkt, können wir Veränderungen der durchschnittlichen Zirkulation abschätzen. Mit dieser Vorgehensweise finden wir in einem wärmer werdenden Klima eine Verlangsamung der durchschnittlichen Zirkulation und eine Vergrößerung des Gebiets von aufsteigender Luft. Allerdings ist die obere Troposphäre nicht gut dargestellt, was darauf hinweist, dass das allgemein akzeptierte konzeptionelle Bild überarbeitet werden muss.