Tropical atmospheric circulation changes under global warming

Bayr, Tobias

This PhD thesis consists of three scientific articles. In the first one the tropical sea level pressure (SLP) response under global warming is investigated in a multi-model ensemble (MMEns) of climate models from the 3rd phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP3) and in ERA Interim reanalysis data. In this article we follow the idea to split up the tropical warming into a spatial homogeneous part and a spatial inhomogeneous part. Even though the inhomogeneous warming is roughly 10 times smaller than the homogeneous warming, the tropical SLP changes are strongly related to the inhomogeneous tropospheric temperature (Ttropos) changes under global warming. According to the Bjerknes Circulation Theorem, this strong relationship can be explained with a nearly direct circulation between a warmer and a colder air column, due to weak Coriolis force in the tropics, with rising air and low SLP in the warmer air column and sinking air and high SLP in the colder air column. The inhomogeneous Ttropos warming is dominated by the land-sea warming contrast. Also SLP trends show a land-sea contrast due to the strong link with Ttropos. It is charactericsed by a SLP decrease over South America and Africa and a SLP increase over the Indo-Pacific. This result is confirmed in an idealised sensitivity experiment. The trends of SLP and Ttropos in ERA Interim over the period from 1989 until 2010 are also strongly linked to each other, but here the land-sea warming contrast is not the dominant driver of Ttropos warming, indicating that the trends over the last decades are mostly due to internal variability. The second article presents a method for comparing the spatial patterns of variability on the basis of Empirical Orthogonal Function (EOF) modes. This method is called Distinct Empirical Orthogonal Function (DEOF) analysis and can be used to find differences in the patterns of variability e.g. between past and future climate or between models and observations. It compares the whole multivariate structure of two datasets and finds the patterns with the largest difference in explained variance between those. We illustrate in well-defined artificial examples how changes in the modes of variability (an intensification, a shift or a multivariate change) can be revealed with this method. Further we compare our approach with examples from the literature. This includes changes in the modes of variability under global warming in SLP over the North Atlantic and Europe, SLP of the Southern Hemisphere, surface temperature of the Northern Hemisphere, sea surface temperature of the North Pacific and precipitation in the tropical Indo-Pacific. In the third article the changes in the equatorial zonal circulation cells, with its most prominent part the Walker Circulation, are investigated in a MMEns of CMIP3 and CMIP5 models under global warming. In the mean state we found a weakening of the zonal circulation cells as well as an eastward shift of the Walker cell. The global warming trend has a similar structure to the variability in zonal stream function that is associated with El Nino Southern Oscillation (ENSO). Indeed, two third of the Walker Circulation changes be explained by a trend towards more El-Nino-like conditions. Under global warming the modes of variability show an eastward shift of the dominant mode, which is consistent with the El-Nino-like trend and a spatial non-linearity found in ENSO associated variability. The CMIP3 and CMIP5 MMEns show in nearly all aspects very similar results, which underlines the robustness of these results. The trends in ERA Interim reanalysis data over the period from 1979 to 2012 show a westward shift and a strengthening of the Walker Circulation, hence in contrast to the CMIP MMEns a trend towards more La-Nina-like conditions. The trend in dominant mode of variability can here explain three quarter of the Walker Circulation changes. Thus long-term trends of the Walker Circulation seem to follow, to a large part, the pre-existing dominant mode of internal variability.

Die vorliegende Dissertation besteht aus drei wissenschaftlichen Publikationen. In der ersten Publikation werden die Veränderungen des Luftdrucks auf Meeresniveau (SLP) im anthropogenen Klimawandel in einem Multimodell Ensemble (MMEns) aus Klimamodellen der dritten Phase des Coupled Model Intercomparison Project (CMIP3) und in ERA Interim Reanalysedaten untersucht. Wir folgen dabei der Idee, das Erwärmungssignal in einen räumlich homogenen und räumlich inhomogenen Anteil aufzuteilen. Obwohl die inhomogene Erwärmung ungefähr zehnmal kleiner ist als die homogene, sind die Veränderungen im tropischen SLP stark mit der inhomogenen Erwärmung der troposphärischen Temperatur (Ttropos) verknüpft. Dieser starke Zusammenhang kann mit dem Bjerknes Zirkulations Theorem erklärt werden: zwischen einer warmen und einer kalten Luftsäule entsteht in den Tropen aufgrund der geringen Corioliskraft eine nahezu direkte Zirkulation, mit aufsteigender Luft und niedrigem Luftdruck in der warmen Luftsäule und absinkender Luft und hohem Luftdruck in der kalten Luftsäule. Die unterschiedlich starke Erwärmung von Land und Ozean dominiert die inhomogene Ttropos Erwärmung im Klimawandel. Die Veränderungen im SLP zeigen durch die starke Verknüpfung mit Ttropos auch einen ausgeprägten Land-Ozean Kontrast, mit sinkendem SLP über Südamerika und Afrika und steigendem SLP über dem Indo-Pazifik. Diese Ergebnisse konnten in einem idealisierten Sensitivitätsexperiment bestätigt werden. Die Trends des SLP und Ttropos in ERA Interim zeigen im Zeitraum von 1989 bis 2010 ebenfalls einen starken Zusammenhang. Allerdings ist hier der Land-Ozean Kontrast nicht der dominante Antrieb der Ttropos Erwärmung, so dass die Trends in diesem Zeitraum vermutlich durch natürliche Variabilität verursacht wurden. In dem zweiten Artikel wird eine Methode zum Vergleich räumlicher Variabilitätsmuster auf der Grundlage von Empirical Orthogonal Function (EOF) Moden vorgestellt. Diese Methode nennt sich Distinct Empirical Orthogonal Function (DEOF) Analyse und eignet sich, um den Unterschied in den Mustern der Variabilität zwischen z.B. vergangenem und zukünftigem Klima oder Beobachtungen und Modellen herauszufinden. Dabei wird die gesamte multivariate Struktur von zwei Datensätzen verglichen, um die Muster mit der größten Differenz in der erklärten Varianz zwischen den beiden Datensätzen zu bestimmen. Wir erläutern in wohldefinierten Beispielen wie diese Methode Veränderungen in den Moden der Variabilität (eine Verstärkung, eine Verlagerung oder ein multivariate Veränderung) darstellt. Desweiteren vergleichen wir unseren Ansatz mit Beispielen aus der Literatur. Dies umfasst die Veränderungen aufgrund des Klimawandels in den Variabiltätsmoden des atlantischen und europäischen SLP, des SLP der Südhemisphäre, der Oberflächentemperatur der Nordhemisphäre, der Meeresoberflächentemperatur im Nordpazifik und des Niederschlags über den tropischen Indo-Pazifik. Der dritte Artikel befasst sich mit den Veränderungen der zonalen äquatorialen Zirkulation und ihrem bekanntesten Vertreter, der Walker Zirkulation, im Klimawandel. Diese Veränderungen untersuchen wir in einem MMEns aus CMIP3 und CMIP5 Klimamodellen. Die zonale Zirkulation schwächt sich im mittleren Zustand ab und die Walker Zirkulation verlagert sich darüber hinaus nach Osten. Die Trends im Klimawandel haben eine ähnliche Struktur wie die mit dem El Nino Southern Oscillation (ENSO) Phänomen verbundene Variabilität und tatsächlich können zwei Drittel der Veränderungen der Walker Zirkulation mit dem Trend zu mehr El Nino ähnlichen Bedingungen erklärt werden. In Übereinstimmung mit dem Trend zu mehr El Nino ähnlichen Bedingungen und einer Nichtlinearität in der mit ENSO verbundenen Variabilität zeigen die Muster der Variabilität im Klimawandel eine ostwärtige Verlagerung des dominanten Modes. Die MMEns von CMIP3 und CMIP5 zeigen in fast allen Aspekten sehr ähnliche Ergebnisse. Dies unterstreicht die Robustheit der Ergebnisse. Die Trends in ERA Interim zeigen über den Zeitraum von 1979 bis 2012 eine westwärtige Verlagerung und Verstärkung der Walker Zirkulation, also im Gegensatz zu den CMIP MMEns einen Trend zu mehr La Nina ähnlichen Bedingungen. Hier können drei Viertel der Änderungen der Walker Zirkulation mit dem Trend im dominanten Mode der Variabilität erklärt werden. Auch wenn die Trends in den Beobachtungen und den Klimaprognosen sich in unterschiedliche Richtungen entwickeln, folgt in Beiden ein großer Teil des langfristigen Trends der Walker Zirkulation dem dominierenden Mode der internen Variabilität.

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Bayr, Tobias: Tropical atmospheric circulation changes under global warming.

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