Evaluating the Stratospheric Pathway of the Arctic-Midlatitude Linkage using a Chemistry Climate Model

Abstract

Arctic amplification is the phenomenon of accelerated warming of the Arctic polar regions in the context of climate change induced by anthropogenic greenhouse gas emissions. A number of recent cold episodes in midlatitudes in winter have raised the question of whether the Arctic amplification has led to the observed midlatitude cooling. The proposed mechanism of this Arctic-midlatitude linkage involves a stratospheric pathway. Accordingly, the horizontal temperature gradients are decreasing due to the enhanced polar warming at the surface. Consequently, the superjacent winds are weakened which results in slower and more meandering polar jet streams. The enhanced planetary waves propagate into the stratosphere, where they induce strong circulation anomalies, referred to as sudden stratospheric warmings (SSWs). These strong disturbances of the stratospheric polar vortex can potentially exert a downward influence on the troposphere, favouring local cold air outbreaks. Investigating this stratospheric pathway in a climate model requires an accurate representation of the middle atmosphere. Therefore, a comprehensive evaluation using the climate-chemistry model ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC) was conducted in this thesis, with the additional aim of examining the impact of ozone chemistry on the stratospheric processes. The suggested steps of the stratospheric pathway were examined using a set of transient simulations and timeslice experiments. Although the Arctic amplification signal continued to rise, no cooling trend or cessation of warming was found in the transient simulations. In contrast, the frequency of SSWs has increased significantly under the influence of climate change. This increase could be attributed to a larger planetary wave input from the troposphere. The primary area of enhanced planetary wave propagation was identified as the Northern Pacific and the region spanning the North Atlantic and Europe. Moreover, the number of events corresponding to strong wave input into the stratosphere increased significantly in a warmer climate. The behaviour of the jet streams was evaluated using a jet detection scheme to determine the exact jet positions. The Eurasian region exhibited an increased occurrence of polar jets, showing a wavier path as well. In contrast, the western hemisphere was characterised by a reduced polar jet frequency. A straightforward connection between the wavier jets and temperature gradients in the lower troposphere was not established in this study. While the modifications in the lower layers imply reduced baroclinic instability and fewer atmospheric waves, an enhanced wave generation became evident in the upper troposphere. However, these anomalies coincide with changes in the static stability and in subtropical temperature changes. The release of additional waves into the stratosphere appears to be related to these upper-tropospheric anomalies. The findings of this thesis suggest that the step linking temperature gradients to upper-tropospheric wave propagation requires further clarification. This is critical for validating the stratospheric pathway. Moreover, an evaluation of the downward influence of SSWs was conducted. Despite more frequent SSWs in a warmer climate, no tendency towards more extreme cold events was found in the most affected regions. While significant cooling anomalies still existed after the SSW events, the temperature anomalies are considerably lower. Finally, the representation of ozone chemistry in the model was determined to have an insignificant impact on the results of the stratospheric pathway.

Die arktische Verstärkung beschreibt die beschleunigte Erwärmung der arktischen Polarregionen im Zusammenhang mit dem Klimawandel, der durch anthropogene Treibhausgasemissionen verursacht wird. Eine Reihe jüngster Kälteepisoden in den mittleren Breiten im Winter hat die Frage aufgeworfen, ob die arktische Verstärkung zu diesen Abkühlungen geführt hat. Der vorgeschlagene Mechanismus dieser Kopplung zwischen Arktis und mittleren Breiten umfasst einen stratosphärischen Pfad. Demzufolge verringern sich die horizontalen Temperaturgradienten aufgrund der bodennahen Erwärmung in den Polargebieten. Die überlagerten Winde werden abgeschwächt, was zu einem langsamen und mäandrierenden polaren Strahlstrom führt. Die so gestärkten planetaren Wellen breiten sich bis in die Stratosphäre aus, wo sie massive Zirkulationsanomalien hervorrufen, die sogenannten plötzlichen Stratosphärenerwärmungen (SSWs). Diese Störungen des stratosphärischen Polarwirbels können einen abwärtsgerichteten Einfluss ausüben und zu lokalen Kaltluftausbrüchen führen. Die Untersuchung dieses stratosphärischen Pfades in einem Klimamodell erfordert eine genaue Darstellung der mittleren Atmosphäre. Daher wurde eine umfängliche Studie mit dem Klimachemiemodell ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC) durchgeführt, mit dem zusätzlichen Ziel den Einfluss der Ozonchemie auf die stratosphärischen Prozesse genauer zu untersuchen. Die vorgeschlagenen Schritte des stratosphärischen Pfades wurden anhand einer Reihe von transienten Simulationen und Zeitscheiben-Experimenten untersucht. Obwohl das Signal der arktischen Verstärkung weiter ansteigt, konnte kein Trend einer Abkühlung oder ein Stagnieren der Erwärmung festgestellt werden. Im Gegensatz dazu stieg die Häufigkeit der Stratosphärenerwärmungen unter dem Einfluss des Klimawandels signifikant an. Dieser Anstieg konnte einem stärkeren troposphärischen Welleneintrag zugeordnet werden. Die Hauptregionen dieser erweiterten Wellenausbreitung sind der Nordpazifik und die Region im Nordatlantik und Europa. Im Weiteren steigt die Anzahl der starken Wellenereignisse unter wärmeren Klimabedingungen signifikant an. Der genaue Verlauf der Strahlströme wurde mithilfe eines Strahlerkennungsschemas bewertet. Die polaren Strahlströme über Eurasien treten häufiger auf und zeigen einen wellenförmigeren Verlauf. Im Gegensatz dazu zeigen sich weniger polare Strahlströme in der westlichen Hemisphäre. Einen direkten Zusammenhang zwischen wellenförmigen Strahlströmen und den Temperaturgradienten in der unteren Troposphäre konnte in dieser Studie nicht nachgewiesen werden. Die Änderungen in den unteren Schichten deuten zwar auf eine Verringerung der baroklinen Instabilität und verminderter atmosphärischer Wellen hin, jedoch wurde auch eine Zunahme der Wellenanregung in der oberen Troposphäre festgestellt. Diese Anomalien fallen allerdings mit einer Änderung der statischen Stabilität und einer Erwärmung in den Subtropen zusammen. Zudem scheinen die oberen Anomalien für den zusätzlichen Welleneintrag in die Stratosphäre verantwortlich zu sein. Die aufgeführten Ergebnisse dieser Studie legen nahe, dass eine Validierung dieses Schrittes, Verbindung zwischen Temperaturgradienten und wellenförmiger Strahlstrom, notwendig ist, um den stratosphärischen Pfad zu bestätigen. Des Weiteren wurde eine Bewertung des abwärtsgerichteten Einflusses der SSWs durchgeführt. Ungeachtet der Häufung von Stratosphärenerwärmungen in einem wärmeren Klima, konnte keine Tendenz zu kalten Extremereignissen in den sonst üblich betroffenen Regionen festgestellt werden. Die signifikanten Abkühlungssignale treten nach wie vor im Zuge der Stratosphärenerwärmungen auf, jedoch sind diese wesentlich geringer. Letztendlich konnte kein Einfluss der Berücksichtigung der Ozonchemie auf den stratosphärischen Pfad nachgewiesen werden.