A model study on the influence of the 11-year solar cycle on the atmosphere

Abstract

The 11-year variability of total and spectral solar irradiance is an important forcing of natural climate variability. In the present study the state-of-the- art chemistry climate model EMAC-FUB has been used to investigate the influence of the 11-year solar cycle on the atmosphere. The analyses focussed on the solar signal in the troposphere which has been examined by means of a multiple linear regression approach. It could be shown that the 11-year solar cycle influences the tropospheric circulation on a hemispheric and regional spatial scale and on a seasonal time scale. The solar signal, though, couples into natural modes of atmospheric variability and amplifies them. In the model simulations performed in the context of this study the spectral solar irradiance variation could primarily affect the troposphere indirectly via composition changes in the stratosphere, altered stratospheric meridional temperature gradients and modified vertical propagation of planetary waves. Moreover, it could be shown that the use of observed or modelled sea surface temperatures as lower boundary condition decisively influences the appearance of the solar signal in the troposphere, in particular, in the summer monsoon circulation. The possible solar influence on the sea surface temperatures as well as on the quasi-biennial oscillation of tropical stratospheric winds and the resulting interactions between the forcings are sources of uncertainty for the interpretation of model results. This could be shown, in particular, in connection with a multiple linear regression analysis.

Die 11-jährige Variabilität der totalen und spektralen Sonneneinstrahlung ist ein wichtiger Antrieb für natürliche Klimaschwankungen. In der vorliegenden Arbeit ist der Einfluss des 11-jährigen Sonnenzykluses auf die Atmosphäre mit dem Klima-Chemie-Modell EMAC-FUB untersucht worden. Der Schwerpunkt der Analysen lag auf dem Sonnensignal in der Troposphäre, das in erster Linie mit Hilfe eines multiplen linearen Regressionsansatzes untersucht wurde. Es konnte gezeigt werden, dass der Sonnenzyklus die troposphärische Zirkulation auf der hemisphärischen und regionalen räumlichen Skala und auf einer saisonalen Zeitskala beeinflusst. Dabei koppelt das Sonnensignal in natürliche Variabilitätsmoden der Atmosphäre ein und verstärkt diese. In den im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Modellsimulationen konnte die Variation der spektralen Sonneneinstrahlung hauptsächlich indirekt über Änderungen der chemischen Zusammensetzung in der Stratosphäre, über geänderte meridionale stratosphärische Temperaturgradienten und über die modifizierte vertikale Ausbreitung von planetarischen Wellen auf die Troposphäre wirken. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die Art der als Randbedingung verwendeten Meeresoberflächentemperaturen (beobachtet oder modelliert) das Auftreten des solaren Signals in der Troposphäre, speziell in der Sommermonsunzirkulation, entscheidend beeinflussen. Der mögliche Einfluss der solaren Variabilität auf die Meeresoberflächentemperaturen und die stratosphärische quasi-zweijährige Schwingung des Windes in den Tropen und die daraus resultierenden Wechselwirkungen sind Unsicherheitsquellen für die Interpretation der Modellresultate. Dies konnte insbesondere im Zusammenhang mit einer multiplen linearen Regressionsanalyse gezeigt werden.