Climate impact of contrail cirrus

Bickel, Marius (2023): Climate impact of contrail cirrus. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Air traffic has been growing exponentially over the last decades and thus plays an important role for future climate mitigation strategies. Contrail cirrus is regarded to be the largest contributor to aviation induced climate impact on the basis of radiative forcing estimates, exceeding aviation's CO2 emissions. While previous studies revealed a reduced efficacy of linear contrails in forcing the global mean surface temperature, that has not yet been analyzed for the far more important contrail cirrus. In the context of the present thesis, various climate model simulations were performed in order to gain a better understanding about the climate impact of contrail cirrus. The simulations were conducted with the ECHAM5 and EMAC climate models, equipped with a state-of-the-art contrail cirrus parameterization, and were further analyzed by feedback analysis after the partial radiative perturbation method in order to determine the rapid radiative adjustments and slow feedbacks. First, the climate impact of contrail cirrus was assessed on the basis of radiative forcings, determined by fixed sea surface temperature simulations. The effective radiative forcing of contrail cirrus turned out to be largely reduced with respect to the conventional radiative forcings. In contrast, the effective radiative forcing of a CO2 increase simulation, with a similarly sized conventional radiative forcing, deviates less strongly. If directly compared to those CO2 reference experiments, the contrail cirrus effective radiative forcing is reduced by 45 % (58 %) for the EMAC (ECHAM5) model, which already indicates a reduced climate impact of contrail cirrus. The simulations were further analyzed by feedback analysis to determine a full set of consistent rapid radiative adjustments. A negative natural cloud adjustment due to a reduction of natural cirrus cover was found to be the main origin for the reduced effective radiative forcing of contrail cirrus. To determine the actual climate impact, the global mean surface temperature change, induced by contrail cirrus, was directly simulated with the EMAC model coupled to an interactive ocean. For the first time, the climate sensitivity and efficacy parameters of contrail cirrus could be determined. Overall, the surface temperature change due to contrail cirrus turns out to be considerably smaller than for a CO2 increase simulation with a similarly sized conventional radiative forcing. The efficacy parameter, based on the effective radiative forcing, is 0.38, deviating significantly from the theoretically expected value of 1. In terms of conventional radiative forcing, the efficacy parameter is as low as 0.21. Therefore, the global mean surface temperature change induced by contrail cirrus is clearly weaker than suggested by, both, the effective and the conventional radiative forcing. Feedback analysis identified changing low and mid level clouds, in comparison to the CO2 reference case, as main reason for the small efficacy parameter. In conclusion, there is new and distinct evidence that the use of radiative forcing in aviation climate impact assessments may lead to substantial overestimation of the relative importance of contrail cirrus for aircraft induced global warming. Nevertheless, as several key findings of the present thesis are unique, confirmation from other climate models, equipped with an adequate contrail cirrus parameterization, is regarded as highly desirable.

Abstract

Der Luftverkehr ist in den letzten Jahrzehnten exponentiell angewachsen und spielt deshalb eine wichtige Rolle in der Diskussion über zukünftige Strategien zur Reduzierung von Klimaänderungen. Basierend auf Strahlungsantrieben liefern Kondensstreifen-Zirren vermutlich den größten Beitrag zur Klimawirkung des Luftverkehrs und übertreffen damit die CO2 Emissionen des Luftverkehrs. Während frühere Studien eine verringerte Wirksamkeit von linearen Kondensstreifen auf die Änderung der mittleren globalen Erdoberflächentemperatur gezeigt haben, wurde dies für die weitaus wichtigeren Kondensstreifen-Zirren noch nicht untersucht. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden zahlreiche Klimamodellsimulationen durchgeführt, um ein besseres Verständnis über die Klimawirkung von Kondensstreifen-Zirren zu erlangen. Die Simulationen wurden mit den ECHAM5- und EMAC-Klimamodellen durchgeführt, welche mit einer Kondensstreifen-Zirren Parametrisierung nach dem neusten Stand der Wissenschaft ausgestattet sind. Die Simulationen wurden weitergehend mittels Rückkopplungsanalyse, nach der "partial radiative perturbation" Methode, untersucht um die physikalischen Ursachen der Temperaturänderung zu verstehen. Zunächst wurde die Klimawirkung von Kondensstreifen-Zirren auf der Grundlage von Strahlungsantrieben bewertet, welche durch Simulationen mit fixierter Meeresoberflächentemperatur bestimmt wurden. Es konnte gezeigt werden, dass der effektive Strahlungsantrieb von Kondensstreifen-Zirren, im Vergleich zu den klassischen Strahlungsantrieben, deutlich reduziert ist. Im Gegensatz dazu weicht der effektive Strahlungsantrieb einer CO2 Erhöhungssimulation, mit ähnlich großem klassischen Strahlungsantrieb, weniger stark ab. Im direkten Vergleich mit diesen CO2-Experimenten ist der effektive Strahlungsantrieb von Kondensstreifen-Zirren im EMAC (ECHAM5) Modell um 45 % (58 %) reduziert, was bereits auf eine reduzierte Klimawirkung von Kondensstreifen-Zirren hindeutet. Die Simulationen wurden darüber hinaus mittels Rückkopplungsanalyse untersucht, um einen vollständigen Satz konsistenter schneller Strahlungsrückkopplungen zu bestimmen. Als Ursache für den reduzierten effektiven Strahlungsantrieb konnte eine negative Wolkenrückkopplung, aufgrund einer Abnahme der natürlichen Zirrus-Bewölkung, festgestellt werden. Zur Bestimmung der tatsächlichen Klimawirkung wurde die durch Kondensstreifen-Zirren verursachte Änderung der mittleren globalen Bodentemperatur direkt, mit Hilfe des an einen interaktiven Ozean gekoppelten EMAC Modells, simuliert. Zum ersten Mal konnten damit die Klimasensitivität und Klimawirkungseffizienz von Kondensstreifen-Zirren bestimmt werden. Insgesamt fällt die Bodentemperaturänderung aufgrund von Kondensstreifen-Zirren deutlich geringer aus als für eine CO2-Erhöhungssimulation mit ähnlich großem klassischen Strahlungsantrieb. Der auf dem effektiven Strahlungsantrieb basierende Wert der Klimawirkungseffizienz beträgt 0.38 und weicht damit erheblich vom zu erwartenden Wert 1 ab. Bezogen auf den klassischen Strahlungsantrieb beträgt die Klimawirkungseffizienz sogar nur 0.21. Somit fällt die durch Kondensstreifen-Zirren induzierte Änderung der mittleren globalen Bodentemperatur weitaus geringer aus als der effektive und der klassische Strahlungsantrieb vermuten lassen. Mit Hilfe der Rückkopplungsanalyse konnten Unterschiede im Verhalten der tiefen und mittelhohen Bewölkung, verglichen mit dem CO2 Referenzfall, als wesentliche Ursache für die geringe Klimawirkungseffizienz identifiziert werden. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass es neue und sehr deutliche Hinweise darauf gibt, dass die Verwendung von Strahlungsantrieben bei der Bewertung der Klimawirkung des Luftverkehrs zu einer erheblichen Überschätzung der relativen Bedeutung von Kondensstreifen-Zirren für die durch den Luftverkehr induzierte globale Erwärmung führen kann. Da mehrere zentrale Ergebnisse dieser Arbeit einzigartig und erstmalig sind, ist eine Bestätigung durch andere Klimamodelle, welche mit einer adäquaten Kondensstreifen-Zirren Parametrisierung ausgestattet sind, sehr wünschenswert.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: contrail cirrus, climate impact, radiative forcing, surface temperature change, feedbacks
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 3. Juli 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Sausen, Robert