The Tropical Tropopause Layer: Detailed Thermal Structure, Decadal Variability and Recent Trends

Abstract

The tropical tropopause layer (TTL) is a key region for troposphere- stratosphere exchange and acts as a “gate” for trace gases entering the stratosphere. In particular, tropical tropopause temperatures (TPTs) control the content of stratospheric water vapour, which influences stratospheric chemistry, radiation and circulation and is also an important driver of surface climate. Decadal variability or even long-term trends in TPTs and stratospheric water vapour are of great interest but are still not well understood. A comprehensive analysis of the TTL, including its detailed thermal structure, recent variability and dominant processes spanning time scales of years to decades, is conducted in this thesis using the recently available decade of high accuracy and high vertical resolution Global Positioning System Radio Occultation (GPS-RO) data, the Modern Era Retrospective-Analysis for Research and Applications (MERRA) reanalysis data, and a series of model simulations with NCAR's fully-coupled CESM model, which employs the chemistry climate model WACCM as its atmospheric component. The GPS-RO data measures a significant warming of TPTs and a weakening of the strength of the tropopause inversion layer (TIL) since 2001. Based on a series of model simulations, which switch on/off the corresponding factors, this recent warming in the TTL is mainly due to internal variability, i.e. a decrease in sea surface temperatures (SSTs) and a strengthening in Quasi- Biennial Oscillation (QBO) associated westerlies. A version of WACCM with higher vertical resolution (\texttildelow 300 m) reproduces this recent temperature variability better than with the standard vertical resolution (\texttildelow 1 km). This thesis provides the first evidence for a connection between TPTs and the Pacific Decadal Oscillation (PDO), from both observations and model simulations. The phase of the PDO, and in particular the change from positive to negative phases around the year 2000, can very well explain the recently observed TPT (multi-) decadal variability. This connection between SSTs and TPTs has consequences for stratospheric water vapour and may provide an important feedback on the Earth's global surface temperatures. Additionally, the hotly debated (multi-) decadal variability in lower stratospheric (LS) water vapour between 1979 and 2014, can be well understood with the 11-year solar cycle, the decadal El-Ni{\~n}o Southern Oscillation (ENSO) and the PDO. LS water vapour lags the solar cycle by 2-3 years and can be explained using a link between the solar cycle, decadal ENSO variations and tropopause temperature variability. This thesis highlights the importance of a fine vertical resolution for climate models and improves the understanding of the TTL temperature and LS water vapour variability over the recent decades. In particular it opens up a debate of the connection between stratospheric decadal to multidecadal variability and modes of SST variability, such as the PDO.

Zusammenfassung Die Schicht um die tropische Tropopause (tropical tropopause layer - TTL) ist eine Schlüsselregion für den Austausch zwischen Tropo- und Stratosphäre und Haupteintragsregion von Spurengasen in die Stratosphäre. Tropische Tropopausentemperaturen bestimmen die Menge des stratosphärischen Wasserdampfes, der sowohl die stratosphärische Chemie, als auch die Strahlung und Zirkulation beeinflusst und ein wichtiger Treiber des Klimas an der Erdoberfläche ist. Dekadische Variabilität oder sogar langfristige Trends in den Tropopausentemperaturen und im stratosphärischen Wasserdampf sind daher von großem Interesse, jedoch bisher nicht gut verstanden. In dieser Arbeit wird eine umfassende Analyse der TTL, einschließlich ihrer detaillierten thermischen Struktur und ihrer aktuellen Variabilität auf Zeitskalen von Jahren bis Jahrzehnten durchgeführt. Dazu werden die nun für eine Dekade verfügbaren, sehr genauen und vertikal hoch aufgelösten Global Positioning System Radio Occultation (GPS-RO) Daten, die MERRA (Modern Era Retrospective- analysis for Research and Applications) Reanalysedaten, sowie eine Reihe von Modellsimulationen mit einem voll gekoppelten Klima-Chemiemodell vom NCAR (CESM-WACCM), welches bis in die Thermosphäre reicht, verwendet. Die GPS-RO Daten zeigen eine signifikante Erwärmung der Tropopausentemperaturen und eine Abschwächung der Stärke der Inversionsschicht oberhalb der Tropopause (Tropopause Inversion Layer – TIL) seit 2001. Basierend auf einer Reihe von Modellsimulationen, in welchen die entsprechenden natürlichen und anthropogenen Faktoren ein- bzw. ausgeschaltet werden, kann diese Erwärmung in der TTL vor allem auf interne Variabilität zurückgeführt werden. Dafür verantwortlich sind insbesondere eine Abnahme der Meeresoberflächentemperaturen und eine Verstärkung der Westphase der stratosphärischen Quasi-Biennial Oscillation (QBO). Eine vertikal höher aufgelöste Modellversion (~ 300 m in der TTL) reproduziert diese Temperaturvariabilität besser als die Standardauflösung (~ 1 km). Im Rahmen dieser Arbeit wird erstmalig ein Zusammenhang zwischen den Tropopausentemperaturen und der PDO (Pacific Decadal Oscillation) sowohl in Beobachtungs- als auch Modelldaten hergestellt und ein Mechanismus vorgeschlagen. Die Phase der PDO, und insbesondere die Änderungen von einer positiven zu einer negativen Phase um das Jahr 2000, können die beobachtete (multi-)dekadische Variabilität der Tropopausentemperaturen gut erklären. Die Verbindung zwischen Meeresoberflächen- und Tropopausentemperaturen beeinflusst wiederum den stratosphärischen Wasserdampf und könnte eine wichtige Wechselwirkung zur globalen Erdbodentemperatur darstellen. Die momentan stark diskutierte (multi-)dekadische Variabilität im Wasserdampf der unteren Stratosphäre zwischen 1979 und 2014 kann mit dem 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus, der dekadischen El-NiÑo Southern Oscillation (ENSO) und der PDO Variabilität erklärt werden. Das Wasserdampfsignal ist zwei bis drei Jahre nach einem Sonnenfleckenmaximum am stärksten und kann mit der Verbindung zwischen dekadischer ENSO Variabilität und Tropopausentemperaturen verstanden werden. Diese Arbeit unterstreicht die Bedeutung einer feinen vertikalen Auflösung für Klimamodelle im Bereich der TTL und verbessert das Verständnis der Temperatur- und Wasserdampfvariabilität in der unteren Stratosphäre in den letzten Jahrzehnten. Insbesondere eröffnet sie eine Diskussion über den Zusammenhang zwischen dekadischer bis multidekadischer stratosphärischer Variabilität und Variabilitätsmoden im Ozean wie zum Beispiel der PDO.