Dynamical coupling of the stratosphere and troposphere in a changing climate

Walz, Roland (2022): Dynamical coupling of the stratosphere and troposphere in a changing climate. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

The dynamical coupling of the stratosphere and troposphere is particularly pronounced during winter seasons, when strong westerly winds encircle polar regions, constituting the stratospheric polar vortex. Induced by radiatively driven meridional temperature gradients, the polar vortex provides a waveguide which allows planetary-scale Rossby waves originating in the troposphere to propagate to the upper stratosphere. Upon dissipation, these waves decelerate the stratospheric mean flow, which might even cause a complete breakdown of the polar vortex with imminent tropospheric impacts including cold spells. Apart from that, planetary-scale waves can also be reflected at the upper stratosphere and even be guided back to the troposphere under certain conditions which can induce poleward displacements of tropospheric jet streams, known as downward wave coupling events. Therefore, future stratospheric polar vortex trends are vital for robust projections of circulation changes in response to increased greenhouse-gas concentrations, but are currently found to exhibit large uncertainties in simulations with complex climate models. Aiming for a better understanding of the coupled stratosphere-troposphere response to increased greenhouse-gas concentrations, this thesis employs a dry dynamical-core model which replaces thermodynamic processes such as radiation and convection by a simple relaxation of temperatures to prescribed equilibrium values, mimicking the real atmosphere. In this way, circulation changes can directly be attributed to changes in the equilibrium temperature and are not blurred by other processes affecting temperature. In a first set of experiments, the tropospheric influence of different realizations of the stratospheric polar vortex is analyzed. It is found that the polar vortex can only affect the troposphere if the polar vortex extends sufficiently into the lower stratosphere. Induced by a colder polar lower stratosphere, the polar vortex is able to undergo a transition from a weak and variable to a strong and stable regime, which is accompanied by a poleward shift of the tropospheric jet. The confined geometry of the waveguide for planetary-scale waves and the occurrence of an increased number of downward wave flux events provide evidence that the regime transition is associated with the emergence of downward wave coupling events. In a second set of experiments, circulation changes in response to tropical upper-tropospheric warming, mimicking increased greenhouse-gas concentrations, are analyzed. It is found that critical tropospheric warming levels exist at which a transition to a strong polar vortex occurs that is similar to the one observed in stratospheric cooling experiments. Compared to a setup without polar vortex, the transition to a strong and stable stratospheric polar vortex is accompanied by an enhanced poleward shift of the tropospheric jet. A combined analysis reveals that both polar lower-stratospheric cooling and tropical upper-tropospheric warming act to increase the meridional gradient of potential vorticity in the midlatitude lower stratosphere during the development of a confined waveguide with reflecting surface in the upper stratosphere, providing evidence for the occurrence of downward wave coupling events. While the important role of the lower stratosphere for stratosphere-troposphere coupling has been discovered by previous studies to appear on subseasonal time scales, this thesis extends its role to time scales relevant for climate change, and refines the understanding of the shape and strength of the waveguide. In order to estimate whether the results from idealized model experiments are relevant for complex climate models, a brief analysis of a multi-model ensemble that is forced by an exponential increase in carbon dioxide concentrations is conducted. It is found that the southern-hemispheric polar vortex strengthening is associated with the development of a more confined waveguide for planetary-scale waves, which might explain the extremely rare formation of polar vortex breakdowns in future climates. The large spread in northern-hemispheric polar vortex trends is consistent with various waveguide developments and requires additional investigations. Nevertheless, this thesis proposes a new dynamical mechanism which could contribute to describe and reconcile future atmospheric circulation changes.

Abstract

Die dynamische Kopplung von Stratosphäre und Troposphäre ist im Winter besonders ausgeprägt, da starke Westwinde polare Regionen umkreisen und den stratosphärischen Polarwirbel bilden. Induziert durch strahlungsbedingte meridionale Temperaturgradienten stellt der Polarwirbel einen Wellenleiter zur Verfügung, über den sich planetare Rossby-Wellen von der Troposphäre bis in die obere Stratosphäre ausbreiten können. Dissipieren diese Wellen, wird die gemittelte stratosphärische Strömung abgebremst, was bis hin zum vollständigen Zusammenbruch des Polarwirbels führen kann, mit entsprechenden Auswirkungen auf die Troposphäre wie Kälteeinbrüchen. Abgesehen davon können planetare Wellen auch an der oberen Stratosphäre reflektiert und unter bestimmten Bedingungen sogar in die Troposphäre zurückgeführt werden, was polwärtige Verschiebungen des troposphärischen Jetstreams auslösen kann und als Downward Wave Coupling Event bekannt ist. Daher sind künftige Trends des stratosphärischen Polarwirbels für robuste Prognosen von Zirkulationsänderungen als Reaktion auf erhöhte Treibhausgaskonzentrationen von entscheidender Bedeutung, weisen derzeit aber in Simulationen mit komplexen Klimamodellen große Unsicherheiten auf. Um die Reaktion des gekoppelten Systems aus Stratosphäre und Troposphäre auf erhöhte Treibhausgaskonzentrationen besser zu verstehen, wird in dieser Arbeit ein trockenes, rein dynamisches Klimamodell verwendet, das thermodynamische Prozesse wie Strahlung und Konvektion durch einfache Relaxation der Temperaturen zu vorgeschriebenen Gleichgewichtswerten ersetzt und die reale Atmosphäre nachahmt. Auf diese Weise können Zirkulationsänderungen direkt auf Änderungen der Gleichgewichtstemperatur zurückgeführt und nicht durch andere Prozesse, die die Temperatur beeinflussen, verwischt werden. In einer ersten Reihe von Experimenten wird der troposphärische Einfluss verschiedener Realisierungen des stratosphärischen Polarwirbels analysiert. Es zeigt sich, dass der Polarwirbel die Troposphäre nur dann beeinflussen kann, wenn er sich weit genug in die untere Stratosphäre erstreckt. Durch eine kältere untere polare Stratosphäre kann der Polarwirbel einen Übergang von einem schwachen und variablen hin zu einem starken und stabilen Regime vollziehen, der mit einer polwärtigen Verschiebung des troposphärischen Jets einhergeht. Die begrenzte Geometrie des Wellenleiters für planetare Wellen und die erhöhte Anzahl von Events mit abwärts gerichtetem Wellenfluss sind Hinweise darauf, dass der Regimewechsel mit dem Auftreten von Downward Wave Coupling Events zusammenhängt. In einer zweiten Reihe von Experimenten werden Zirkulationsänderungen als Reaktion auf eine Erwärmung der oberen tropischen Troposphäre untersucht, die eine erhöhte Treibhausgaskonzentration nachahmt. Es zeigt sich, dass es kritische Werte der troposphärischen Erwärmung gibt, die einen Regimewechsel auslösen, der dem bereits in den Experimenten zur Kühlung der unteren polaren Stratosphäre beobachteten ähnelt. Im Vergleich zu einem Setup ohne Polarwirbel wird der Regimewechsel hin zu einem starken und stabilen stratosphärischen Polarwirbel von einer verstärkten polwärtigen Verschiebung des troposphärischen Jets begleitet. Eine kombinierte Analyse zeigt, dass sowohl Abkühlungen in der unteren polaren Stratosphäre als auch Erwärmungen in der oberen tropischen Troposphäre den meridionalen Gradienten der potenziellen Vortizität in der unteren Stratosphäre der mittleren Breiten während der Entwicklung eines begrenzten Wellenleiters mit reflektierender Schicht erhöhen, was auf das Auftreten von Downward Wave Coupling Events hinweist. Während die wichtige Rolle der unteren Stratosphäre für die Kopplung zwischen Stratosphäre und Troposphäre in früheren Studien auf subsaisonalen Zeitskalen aufgedeckt wurde, erweitert diese Arbeit ihre Rolle auf Klima-Zeitskalen und verfeinert das Verständnis für Form und Stärke des Wellenleiters. Um abzuschätzen, ob die Ergebnisse aus idealisierten Modellexperimenten für komplexe Klimamodelle relevant sind, wird eine kurze Analyse eines Multi-Modell-Ensembles durchgeführt, das einen exponentiellen Anstieg von Kohlenstoffdioxidkonzentrationen simuliert. Es zeigt sich, dass die Verstärkung des südhemisphärischen Polarwirbels mit der Entwicklung eines für planetare Wellen begrenzten Wellenleiters zusammenhängt, was die extrem seltenen Zusammenbrüche des südhemisphärischen Polarwirbels in künftigen Klimazuständen erklären könnte. Die große Streuung der Trends des nordhemisphärischen Polarwirbels ist konsistent mit den unterschiedlichen Entwicklungen der entsprechenden Wellenleiter und erfordert weitere Untersuchungen. Nichtsdestotrotz könnte der in dieser Arbeit vorgeschlagene dynamische Mechanismus dazu beitragen, künftige Entwicklungen der atmosphärischen Zirkulation zu beschreiben und in Einklang mit den Prognosen zu bringen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 5. April 2022
• 1. Bericht­erstatter:in: Garny, Hella