Modeling the effects of short and long-term solar variability on ozone and climate

Abstract

The Sun is the primary source of energy for Earth's atmosphere. One possible natural cause of climatic change is a Variation in the Sun's luminosity. The Sun emits its radiative energy in a broad spectral ränge. One majorand well-known mechanism of the Sun's influence on climate is the variability at short wave lengths that affect upper atmospheric ozone. The task on hand is to understand how the Earth's climate System responds to variations of the Sun. The research undertaken within the present dissertation is centered on the influence of the solar radiation on the middle atmosphere and on the down ward propagation of the resulting signal. Therefore, this work investigates the effect of variations of the solar irradiance, in particular of the spectral variability with emphasison the UV radiation, on ozoneand other trace gases, and evaluates their influence on the temperature and dynamics of the entire atmosphere, from the mesopause to the Earth's surface. To fulfill this goal a new Chemistry Climate Model (CCM) with interactive photochemistry on the basis of MA-ECHAM4 has been developed. The middle-atmosphere general circulation model (GCM) MA-ECHAM4 is made available through collaboration with the Max-Planck Institute for Meteorologyin Hamburg. MA-ECHAM4 has been coupled to the photochemistry-transport model MEZON. The resulting CCM has been called SOCOL (modeling tool for studies of SOlarClimate OzoneLinks, Russian "Falcon"). To validate how well SOCOL reproduces a present-day climatology, a 40-year long control run for present day conditions has been carried out and compared with observational and reanalysis data. The model Performance is shown to be very satisfactory applying an overall inspection of the simulated physical and chemical fields as well as using a rigorous statistical analysis. At the same time a number of weaknesses have been identified in the model that need to be addressed for future model improvement. In particular, the analysis of the simulated zonal wind and temperature deviations shows that for an improvementit will be necessary to pay special attention to the tropopause region in the tropics and at high latitudes as well as to the description of the processesin the upper stratosphere and mesosphere, where statistically significant cold biases have been found in the model during boreal summer. Despite of these model deficiencies, the overall Performance of the CCM SOCOL as a modeling tool is reasonable and many features of the real atmosphere are simulated rather well. The CCM SOCOL has been ported on regulär PCs and was shownto attain good wallclock performance. Thus many research groups can use it for studies of chemistry-climate problems even without access to large super-computer facilities. With the CCM SOCOL several 20-year-long steady-state model simulations have been performed with detailed, realistic spectral energy distributions at maximum and minimum of the solar irradiance to determine their potential effects on the entire atmosphere and Earth's climate. The original MA-ECHAM4 radiation code has not been designed for solar variability studies: it has only one interval in the UV and visible parts of the solar spectrum and does not account at all for the solar flux at wave lengths shorter than 250 nm. Therefore, heating rates due to absorption in the UV by ozone and oxygen have been parameterized in the Lyman-oc line, Schumann-Rungeband and Hartley band, which are important in the stratosphere and mesosphere. First, the annual mean zonal mean solar signal in ozone, temperature, zonal wind and surface air temperature has been analyzed. Annual mean zonal mean values of ozone, temperature and zonal wind have been compared with variousresults of observation analysis. An analysis for annual mean solar-induced changes for several species has been performed. Second, the annual mean analysis has been extended to seasonal and geographical patterns. The simulated response of ozone to the imposed changes in solar ultraviolet flux shows a positive correlation in the tropical stratosphere and a negative correlation in the tropical mesosphere, in agreement with theoreticalexpectation. The model suggests an acceleration of the polar night jets in both hemispheres and a dipole structure in the temperature changes at high latitudes. The model results also showan alteration of the tropospheric circulation and of the surface air temperature resulting in a statistically significant warming of 1 K in the annual mean over North America and Siberia. This supports the idea of a solar-climate connection, which propagates down ward into the low levels of the troposphere. The influence of variations of UV and visible radiation on the atmosphere has been investigated separately because the atmosphere absorbs very differently. Two additional 20-year long runs have been carried out, one only with perturbations in UV radiation and another one only with changes in visible radiation. The results show that UV radiation variations may quite substantially alter stratospheric jet in contrast to visible radiation. The analysis shows that the changes in UV radiation do play a significantrole in determining the surface air temperature distribution, similar to changes in visible, but due to a lag in the response with different strengths during different seasons. The study of the 27-day solar rotation cycle is also suitable for the model validation, because the observational data cover more then 100 such cycles, while only two 11-year cycles oecurred during the satellite era. Nine 1-year long runs have been performed applying daily spectral solar irradiance. The correlation of zonal mean hydroxyl radical, ozone and temperature averaged over the tropics with solar irradiance time series have been analyzed. The correlation of the hydroxyl with the solar irradiance changes is positive in the upper stratosphere and mesosphereand is in a good agreement with previous estimations, which confirms the model's treatment of chemical processesin the middle atmosphere. The response of the ozone to the increase of the solar irradiance is negative in the mesospherefor zero phase lags, reflecting the enhancement of the hydroxyl radical destroying the ozone. The simulated ozone sensitivity is in a reasonable agreement with observations. The temperature correlations with solar irradiance are not robust, because its variability strongly depends on non-linear dynamicsand transport in the atmosphere. Finally, the possible ways of model improvement and future activity aimed to study solar-climate links are discussed. Further investigation of the identified solar-climate link is required, including overcoming the steady-state assumption made here, i.e. implying perpetual solar maximum or/and solar minimum conditions. The work has been supported by the Poly-Project "Variability of the Sun and Global Climate" of ETHZ and partly by PMOD/WRC,Davos. Die Sonne ist die primäre Energiequelleder Erdatmosphäre. Ein möglicher natürlicher Grund für eine Klimaänderung sind Variationen in der Luminosität der Sonne. Die Sonne emittiert ihre Strahlungsenergie in einem breiten Spektralbereieh. Ein wesentlicher, gut bekannter Mechanismus des Einflusses der Sonne auf das Klima ist die Variabilität bei kurzen Wellenlängen, welche das Ozon in der höheren Atmosphäre beeinflusst. Die vorliegende Aufgabe besteht darin zu verstehen, wie das Klimasystemder Erde auf Variationender Sonne reagiert. Die mit der vorliegenden Dissertation unternommene Forschung konzentriert sich aus den Einfluss solarer Strahlung auf die mittlere Atmosphäre und auf die abwärtsgerichtete Ausbreitung des resultierenden Signals. Daher untersucht diese Arbeit den Einfluss von Variationen der solaren Strahlungsintensität, insbesondere der spektralen Variabilität mit Schwerpunkt auf UV-Strahlung, Ozon anderen Spurengasen. Sie wertet denen Einfluss auf die Temperaturund Dynamik der gesamten Atmosphäre aus, von der Mesopause bis zur Erdoberfläche. Zum Erreichen dieses Ziels wurde ein neues Chemie-Klima-Modell (CCM) mit interaktiver Photochemie auf der Basis von MA-ECHAM4 entwickelt. Im Rahmen einer Zusammenarbeit wurde das allgemeine Zirkulationsmodell(GCM) der mittleren Atmosphäre MA-ECHAM4 durch das Max-Planck-Institutfür Meteorologie in Hamburg zur Verfügung gestellt. MA-ECHAM4 wurde an das Photochemie-Transportmodell MEZON gekoppelt. Das so entstandene CCM heisst SOCOL (Modell für die Studien der solaren Klima-Ozon-Kopplung, russ. „Falke"). Zur Erfassung, wie gut SOCOL die aktuelle Klimatologie reproduziert, wurde ein 40-jähriger Kontrolllauf für heutigeVerhältnissedurchgeführt und mit Beobachtungen und Reanalysedaten verglichen. Die Leistungsmerkmaledes Modells sind sehr zufriedenstellend aufgrund einer allgemeinen Beurteilung der simulierten physikalischen und chemischen Felder sowie aufgrund einer rigorosenstatistischen Analyse. Gleichzeitig wurde eine Anzahl von Schwächen identifiziert, die für zukünftige Modellverbesserungen aufgegriffen werden müssen. Besonders die Analyse die Abweichungen der simulierten zonalen Winde und Temperaturen zeigt, dass für eine Verbesserung der tropischen und polaren Tropopausenregion besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden muss, sowie einer verbesserten Beschreibung der Prozesse in der oberen Stratosphäre and Mesosphäre, wo statistisch signifikante systematische Abweichungen mit zu niedrigen Temperaturen während des nordhemisphärischen Sommers bestehen. Trotz dieser Schwächen sind die Funktionen des CCM SOCOL als Modellwerkzeug angemessen, und viele Eigenschaften der realen Atmosphäre werden gut beschrieben. Das CCM SOCOL wurde auf reguläre PCs portiert, worauf gute CPU-Laufzeiten erreicht werden. Daher kann das Modell für Studien des Chemie-Klima-Problemsdurch viele Forschungsgruppen sogar ohne Zugangzu grossen Supercomputern eingesetzt werden. Mit dem CCM SOCOL wurden mehrere stationäre Modellsimulationen über je 20 Jahre durchgeführtmit detaillierten, realistischen spektralen Energieverteilungen der solaren Strahlungsintensität bei Bedingungen des solaren Maximums and Minimums, um die potentiellen Effekte auf die gesamte Atmosphäre und das Erdklima zu bestimmen. Das Original des Strahlungscodes von MA-ECHAM4 ist für Untersuchungen der Sonnenvariabilität: es gibt nur ein Intervall im UV und in den sichtbaren Teilen des Sonnenspektrums und nimmt keine Rücksicht auf den Strahlungsfluss bei Wellenlängen kürzer als 250 nm. Daher mussten die Heizraten aufgrund der UV-Absorption durch Ozon und Sauerstoff im Bereich der solaren Lyman-Ct-Line, der Schumann-Runge-Bande und der Hartley-Bande parametrisiert werden, welche in der Stratosphäre und Mesosphäre wichtig sind. Für die Modellvalidierung wurden zunächst Jahresmittelwerte der zonalen Mittel des solaren Signals in Ozon, der Temperatur, des zonalen Windes und der Bodenlufttemperatur analysiert. Jahresmittelwerte von Ozon, Temperatur und zonalem Wind wurden mit verschiedenen aus Beobachtungen abgeleiteten Analysen verglichen. Weiterhin wurde eine Analyse der Jahresmittelwerte sonneninduzierter Änderungen verschiedener Spezies durchgeführt. Zweitens wurde die Analyse der Jahresmittelwerte auf saisonale und geographische Muster ausgedehnt. Der modellierte Response des Ozons auf den solaren Antrieb zeigt eine positive Korrelation in der tropischen Stratosphäre und negative Korrelation in der tropischen Mesosphäre, in Übereinstimmung mit der theoretischen Erwartung. Das Modell legt eine Beschleunigung der polaren Strahlströme und eine Dipolstruktur der Temperaturveränderungen in hohen Breitennahe. Das Modell zeigt auch eine Veränderung der troposphärischen Zirkulation und der Oberflächentemperatur, die zu einer statistisch signifikanten Erwärmung von 1 K im Jahresdurchschnitt über Nordamerika und Sibirien führen. Dies stützt die Idee einer Sonnen-Klima-Verbindung, welche sich abwärts bis in die unteren Schichten der Troposphäre ausbreitet. Der atmosphärische Einfluss der Variationenim UV- und sichtbaren Spektralbereieh wurde getrennt untersucht, weil die Atmosphäre in beiden Bereichen sehr unterschiedlich absorbiert. Zwei zusätzliche 20 jähre lange Läufe wurden durchgeführt, einer nur mit den Veränderungenim UV, der andere nur mit Änderungen in der sichtbaren Bestrahlung.Die Resultate zeigen, dass die Änderungen im UV im Gegensatz zu den Veränderungenim Sichtbaren - substanziell den Strahlstrom beeinflussen können. Die Analyse zeigt, dass Änderungen in der UV-Strahlung eine signifikante Rolle bei der Einstellung der Oberflächentemperatur spielen, ähnlich wie die Änderungen im sichtbaren Spektralbereieh, aber aufgrund einer zeitlichenVerzögerungzu unterschiedlichen Jahreszeiten. Das Studium des 27-Tageszyklus der Sonnenrotation bietet eine weitere Möglichkeit zur Modellvalidierung, weil die Beobachtungen mehr als 100 solcher Zyklen erfassen, wohingegen nur zwei 11-Jahres-Zyklen in die Satellitenära fallen. Neun einjährige Läufe wurden durchgeführt und dabei tägliche, spektral aufgelöste Leistungsdichten angewendet. Die Korrelation zwischen der zonal gemittelten Konzentration des Hydroxylradikals, des Ozons und der Temperatur über den Tropenwurden bestimmt. Die Korrelation zwischen OH und der solaren Leistungsdichte ist positiv in der oberen Strarosphäre und Mesosphäre und ist in guter Übereinstimmung mit früheren Abschätzungen, was die Behandlungder chemischen Prozesse in der mittleren Atmosphäre in SOCOL bestätigt. Die Korrelation des Ozons ist negativin der Mesosphäre, bedingt durch die Ozonzerstörung durch das zusätzliche OH und in Übereinstimmung mit Beobachtungen. Die Temperatur-Korrelationist nicht robust, weil ihre' Variabilität stark von nichtlinearer Dynamik und Transport abhängt. Die möglichen Wege zur Modellverbesserung und zukünftige Aktivitäten in Bezug auf die Sonne-Erde-Verbindung diskutiert. Zusätzliche Untersuchungensind nötig, inklusive der Überwindung der hier gemachten Stationaritätsannahme, welche fortwährendes solares Maximum oder Minimum annimmt. Die Arbeit wurde ermöglicht durch das Poly-Projekt "Variability of the Sun and Global Climate" der ETHZ und teilweise durch PMOD/WRC,Davos.