Aspekte des tropischen Klimas und seiner Variabilität - mit besonderer Betrachtung des asiatischen Sommermonsuns

Abstract

Der asiatische Sommermonsun (ASM) stellt eine der größten Quellen der zwischenjährlichen Variabilität in der Nordhemisphäre dar, und bildet den Schwerpunkt der Untersuchungen dieser Arbeit. Das deutlichste Merkmal des ASM in der unteren Stratosphäre/oberen Troposphäre (UTLS) ist eine ausgeprägte antizyklonale Zirkulation. Diese Antizyklone des asiatischen Sommermonsuns (AMA) ist gekennzeichnet durch hohe Wasserdampf-(H2O) und niedrige Ozon-(O3) Konzentrationen, die im Bereich der AMA eingeschlossen sind. In dieser Arbeit werden Klima-Chemie-Modelle (CCMs) validiert gegenüber Re-Analysen und MIPAS Satellitenbeobachtungen in Bezug auf ihre Fähigkeit die klimatologischen Besonderheiten des ASM und seine Variabilität in der UTLS zu reproduzieren. Die zukünftige Entwicklung der ASM-Zirkulation und die sich daraus ergebenden Änderungen der H2O- und O3-Konzentrationen in einem sich verändernden Klima werden mit Hilfe zweier CCMs untersucht. Ergänzend wird eine Sensitivitätsstudie mit einem Globalmodell der allgemeinen Zirkulation (GCM) durchgeführt, um die Auswirkungen extremer Szenarien auf das Klima in den Tropen zu untersuchen. In Bezug auf die Repräsentanz der AMA und der dazugehörigen Zirkulation und Temperaturen zeigen die Multi-Modell-Mittel (MMM) der CCMs gegenüber den Re-Analysen eine gute Übereinstimmung. Die O3-Minima in der AMA werden im Vergleich zu MIPAS deutlich besser repräsentiert als die H2O-Maxima. Bei allen Größen gibt es teilweise große Abweichungen für individuelle CCMs gegenüber dem MMM, besonders stark ausgeprägt bei den H2O-Konzentrationen. Die Variabilität der Temperaturen und der H2O- und O3-Konzentrationen in der UTLS wird untersucht mit Bezug zur Variabilität des ASM, der El Nino/Southern Oscillation (ENSO) und der Quasi- Biennial Oscillation (QBO). In Jahren mit intensiverer ASM-Zirkulation zeigt sich ein konsistentes Muster mit höheren H2O- und niedrigeren O3-Konzentrationen im Bereich der AMA. Die erhöhten H2O-Konzentrationen legen nahe, dass das Hochland von Tibet eine bevorzugte Quellregion für H2O in der AMA ist. Weiterhin deuten die CCMs darauf hin, dass die horizontalen Transporte des H2O mehr nach Nordosten, in hohe Breiten, als in Richtung Äquator erfolgen. Das Signal der CCMs für ENSO-Warmereignisse macht den offensichtlichen Unterschied des vertikalen Transports über den Konvektionsgebieten des äquatorialen Pazifiks im Vergleich zu denen in der ASM-Region deutlich. Das QBO-Signal der CCMs zeigt konsistente Temperaturanomalien in der unteren äquatorialen Stratosphäre und eine Tendenz zu Abkühlung im Bereich der AMA während QBO-Westphasen. In einem sich verändernden Klima zeigt sich eine abgeschwächte ASM-Zirkulation, die bei niedrigerer Tropopausenhöhe zu erhöhten H2O-Konzentrationen in der oberen UTLS führt. Die GCM Simulationen mit Vorgabe eines globalen Ozeans zeigen höhere Oberflächentemperaturen, einen intensivierten hydrologischen Zyklus und eine verstärkte Hadley-Zirkulation. Durch die verlangsamte Brewer-Dobson- Zirkulation erwärmt sich die tropische UTLS und ermöglicht eine feuchtere mittlere Atmosphäre. In einer anoxischen Atmosphäre kühlen sich die Oberflächentemperaturen durch einen reduzierten O3-Treibhauseffekt ab. In dieser Arbeit wird zudem eine Lösung für die schwache Form des Problems der schwachen jungen Sonne angegeben, die mit CO2-Konzentrationen, die aus Proxydaten abgeleitet sind konsistent ist, und das Spektrum eines Sonnen- Analog-Sterns, stellvertretend für die frühe Sonne, verwendet.

The Asian summer monsoon (ASM) represents one of the major sources of inter- annual variability in the northern hemisphere, and is the main focus of the analyses for this thesis. The most distinct feature of the ASM in the upper troposphere/lower stratosphere (UTLS) is the pronounced anticyclonic circulation. This Asian monsoon anticyclone (AMA) is characterised by high concentrations of water vapour (H2O) and low concentrations of ozone (O3) enclosed by the AMA. In this thesis chemistry climate models (CCMs) are validated against re-analyses and MIPAS satellite observations with respect to their ability to reproduce the climatological characteristics of the ASM and its variability in the UTLS. The future evolution of the ASM circulation and the related changes of the H2O and O3 concentrations in a changing climate are investigated by means of two CCMs. Complementary, a sensitivity study with a general circulation model (GCM) is performed, to investigate the impact of extreme scenarios on the tropical climate. The multi model mean (MMM) of the CCMs compare well with the re-analyses, with respect to the AMA and its related circulation and temperature. The minimum in O3 of the CCMSs within the AMA is better represented than the respective maximum in H2O, compared to MIPAS. For all quantities there are to some extent large deviations for individual CCMs compared to the MMM, which is particularly the case for the H2O concentrations. The variability of the temperatures and the H2O and O3 concentrations in the UTLS is investigated with respect to the variability of the ASM, the El Nino/Southern Oscillation (ENSO) and the Quasi-Biennial Oscillation (QBO). In years with more intense ASM circulation a consistent pattern becomes apparent with increased H2O and reduced O3 concentrations within the AMA. The increased H2O suggests that the Tibetan Plateau is a preferred source region for H2O within the AMA. The CCMs further indicate that the horizontal transport of H2O is rather directed towards the north-east to higher latitudes, than towards the Equator. The signal of the CCMs with respect to ENSO warm events reveals the apparent differences in vertical transport over convective systems of the equatorial Pacific compared to the ASM region. The QBO signal of the CCMs shows consistent temperature anomalies in the lower equatorial stratosphere and a tendency of lower temperature within the AMA during QBO west-phase. In a changing climate the ASM circulation weakens, accompanied by a lower tropopause, leading to enhanced H2O concentrations at the upper edge of the UTLS. In GCM simulations prescribing a global Ocean surface temperature increase. The hydrological cycle, and the Hadley circulation intensifies. The tropical UTLS warms through a weaker Brewer-Dobson circulation and leads to a wetter middle atmosphere. In an anoxic atmosphere surface temperature decrease through a decreased O3 greenhouse effect. Furthermore, this thesis gives a solution for the weaker form of the faint young Sun problem, in a simulation with CO2 concentrations that are supported by proxy data and a spectrally resolved irradiances for a young Sun analogue.