Entwicklung und Anwendung von mobilen Messstrategien und Analysemethoden zur Untersuchung urbanen Aerosols

Seit Anbeginn der Menschheitsgeschichte beeinflussen die Menschen ihre Umwelt. Durch anthropogene Emissionen ändert sich die Zusammensetzung der Atmosphäre, was einen zunehmenden Einfluss unter anderem auf die Atmosphärenchemie, die Gesundheit von Mensch, Flora und Fauna und das Klima hat. Die steigende Anzahl riesiger, wachsender Metropolen geht einher mit einer räumlichen Konzentration der Emission von Luftschadstoffen, was vor allem einen Einfluss auf die Luftqualität der windabwärts gelegenen ruralen Regionen hat. In dieser Doktorarbeit wurde im Rahmen des MEGAPOLI-Projektes die Abluftfahne der Megastadt Paris unter Anwendung des mobilen Aerosolforschungslabors MoLa untersucht. Dieses ist mit modernen, zeitlich hochauflösenden Instrumenten zur Messung der chemischen Zusammensetzung und Größenverteilung der Aerosolpartikel sowie einiger Spurengase ausgestattet. Es wurden mobile Messstrategien entwickelt und angewendet, die besonders geeignet zur Charakterisierung urbaner Emissionen sind. Querschnittsmessfahrten durch die Abluftfahne und atmosphärische Hintergrundluftmassen erlaubten sowohl die Bestimmung der Struktur und Homogenität der Abluftfahne als auch die Berechnung des Beitrags der urbanen Emissionen zur Gesamtbelastung der Atmosphäre. Quasi-Lagrange’sche Radialmessfahrten dienten der Erkundung der räumlichen Erstreckung der Abluftfahne sowie auftretender Transformationsprozesse der advehierten Luftschadstoffe. In Kombination mit Modellierungen konnte die Struktur der Abluftfahne vertieft untersucht werden. Flexible stationäre Messungen ergänzten den Datensatz und ließen zudem Vergleichsmessungen mit anderen Messstationen zu. Die Daten einer ortsfesten Messstation wurden zusätzlich verwendet, um die Alterung des organischen Partikelanteils zu beschreiben. Die Analyse der mobilen Messdaten erforderte die Entwicklung einer neuen Methode zur Bereinigung des Datensatzes von lokalen Störeinflüssen. Des Weiteren wurden die Möglichkeiten, Grenzen und Fehler bei der Anwendung komplexer Analyseprogramme zur Berechnung des O/C-Verhältnisses der Partikel sowie der Klassifizierung der Aerosolorganik untersucht. Eine Validierung verschiedener Methoden zur Bestimmung der Luftmassenherkunft war für die Auswertung ebenfalls notwendig. Die detaillierte Untersuchung der Abluftfahne von Paris ergab, dass diese sich anhand der Erhöhung der Konzentrationen von Indikatoren für unprozessierte Luftverschmutzung im Vergleich zu Hintergrundwerten identifizieren lässt. Ihre eher homogene Struktur kann zumeist durch eine Gauß-Form im Querschnitt mit einem exponentiellen Abfall der unprozessierten Schadstoffkonzentrationen mit zunehmender Distanz zur Stadt beschrieben werden. Hierfür ist hauptsächlich die turbulente Vermischung mit Umgebungsluftmassen verantwortlich. Es konnte nachgewiesen werden, dass in der advehierten Abluftfahne eine deutliche Oxidation der Aerosolorganik im Sommer stattfindet; im Winter hingegen ließ sich dieser Prozess während der durchgeführten Messungen nicht beobachten. In beiden Jahreszeiten setzt sich die Abluftfahne hauptsächlich aus Ruß und organischen Partikelkomponenten im PM1-Größenbereich zusammen, wobei die Quellen Verkehr und Kochen sowie zusätzlich Heizen in der kalten Jahreszeit dominieren. Die PM1-Partikelmasse erhöhte sich durch die urbanen Emissionen im Vergleich zum Hintergrundwert im Sommer in der Abluftfahne im Mittel um 30% und im Winter um 10%. Besonders starke Erhöhungen ließen sich für Polyaromaten beobachten, wo im Sommer eine mittlere Zunahme von 194% und im Winter von 131% vorlag. Jahreszeitliche Unterschiede waren ebenso in der Größenverteilung der Partikel der Abluftfahne zu finden, wo im Winter im Gegensatz zum Sommer keine zusätzlichen nukleierten kleinen Partikel, sondern nur durch Kondensation und Koagulation angewachsene Partikel zwischen etwa 10nm und 200nm auftraten. Die Spurengaskonzentrationen unterschieden sich ebenfalls, da chemische Reaktionen temperatur- und mitunter strahlungsabhängig sind. Weitere Anwendungsmöglichkeiten des MoLa wurden bei einer Überführungsfahrt von Deutschland an die spanische Atlantikküste demonstriert, woraus eine Kartierung der Luftqualität entlang der Fahrtroute resultierte. Es zeigte sich, dass hauptsächlich urbane Ballungszentren von unprozessierten Luftschadstoffen betroffen sind, advehierte gealterte Substanzen jedoch jede Region beeinflussen können. Die Untersuchung der Luftqualität an Standorten mit unterschiedlicher Exposition bezüglich anthropogener Quellen erweiterte diese Aussage um einen Einblick in die Variation der Luftqualität, abhängig unter anderem von der Wetterlage und der Nähe zu Emissionsquellen. Damit konnte gezeigt werden, dass sich die entwickelten Messstrategien und Analysemethoden nicht nur zur Untersuchung der Abluftfahne einer Großstadt, sondern auch auf verschiedene andere wissenschaftliche und umweltmesstechnische Fragestellungen anwenden lassen.

Messungen von salpetriger Säure und Eispartikeln im Nachlauf von Flugzeugen

Ziel dieser Arbeit war der Aufbau und Einsatz des Atmosphärischen chemischen Ionisations-Massenspektrometers AIMS für boden- und flugzeuggetragene Messungen von salpetriger Säure (HONO). Für das Massenspektrometer wurden eine mit Gleichspannung betriebene Gasentladungsionenquelle und ein spezielles Druckregelventil entwickelt. Während der Instrumentenvergleichskampagne FIONA (Formal Intercomparisons of Observations of Nitrous Acid) an einer Atmosphären-Simulationskammer in Valencia (Spanien) wurde AIMS für HONO kalibriert und erstmals eingesetzt. In verschiedenen Experimenten wurden HONO-Mischungsverhältnisse zwischen 100 pmol/mol und 25 nmol/mol erzeugt und mit AIMS interferenzfrei gemessen. Innerhalb der Messunsicherheit von ±20% stimmen die massenspektrometrischen Messungen gut mit den Methoden der Differenziellen Optischen Absorptions-Spektrometrie und der Long Path Absorption Photometrie überein. Die Massenspektrometrie kann somit zum schnellen und sensitiven Nachweis von HONO in verschmutzter Stadtluft und in Abgasfahnen genutzt werden.rnErste flugzeuggetragene Messungen von HONO mit AIMS wurden 2011 bei der Messkampagne CONCERT (Contrail and Cirrus Experiment) auf dem DLR Forschungsflugzeug Falcon durchgeführt. Hierbei konnte eine Nachweisgrenze von < 10 pmol/mol (3σ, 1s) erreicht werden. Bei Verfolgungsflügen wurden im jungen Abgasstrahl von Passagierflugzeugen molare HONO zu Stickoxid-Verhältnisse (HONO/NO) von 2.0 bis 2.5% gemessen. HONO wird im Triebwerk durch die Reaktion von NO mit OH gebildet. Ein gemessener abnehmender Trend der HONO/NO Verhältnisse mit zunehmendem Stickoxid-Emissionsindex wurde bestätigt und weist auf eine OH Limitierung im jungen Abgasstrahl hin.rnNeben den massenspektrometrischen Messungen wurden Flugzeugmessungen der Partikelsonde Forward Scattering Spectrometer Probe FSSP-300 in jungen Kondensstreifen ausgewertet und analysiert. Aus den gemessenen Partikelgrößenverteilungen wurden Extinktions- und optische Tiefe-Verteilungen abgeleitet und für die Untersuchung verschiedener wissenschaftlicher Fragestellungen, z.B. bezüglich der Partikelform in jungen Kondensstreifen und ihrer Klimawirkung, zur Verfügung gestellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss des Flugzeug- und Triebwerktyps auf mikrophysikalische und optische Eigenschaften von Kondensstreifen untersucht. Unter ähnlichen meteorologischen Bedingungen bezüglich Feuchte, Temperatur und stabiler thermischer Schichtung wurden 2 Minuten alte Kondensstreifen der Passagierflugzeuge vom Typ A319-111, A340-311 und A380-841 verglichen. Im Rahmen der Messunsicherheit wurde keine Änderung des Effektivdurchmessers der Partikelgrößenverteilungen gefunden. Hingegen nehmen mit zunehmendem Flugzeuggewicht die Partikelanzahldichte (162 bis 235 cm-3), die Extinktion (2.1 bis 3.2 km-1), die Absinktiefe des Kondensstreifens (120 bis 290 m) und somit die optische Tiefe der Kondensstreifen (0.25 bis 0.94) zu. Der gemessene Trend wurde durch Vergleich mit zwei unabhängigen Kondensstreifen-Modellen bestätigt. Mit den Messungen wurde eine lineare Abhängigkeit der totalen Extinktion (Extinktion mal Querschnittsfläche des Kondensstreifens) vom Treibstoffverbrauch pro Flugstrecke gefunden und bestätigt.

Massenspektrometrische Wasserdampfmessung in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung des flugzeuggetragenen Atmosphärischen Ionisations-Massenspektrometers AIMS-H2O zur Messung von Wasserdampf in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS) und erste Flugzeugmessungen mit dem Instrument. Wasserdampf beeinflusst das Klima in der UTLS aufgrund seiner Strahlungseigenschaften und agiert als wichtiger Parameter bei der Bildung von Zirruswolken und Kondensstreifen. Deshalb sind genaue Wasserdampfmessungen für das Verständnis vieler atmosphärischer Prozesse unerlässlich. Instrumentenvergleiche wie sie im SPARC Report No. 2 und dem Bericht der AUQAVIT Kampagne zusammengefasst sind, haben gezeigt, dass große Abweichungen zwischen einzelnen Methoden und Instrumenten bestehen. Diese Unsicherheiten limitieren das Verständnis des Einflusses von Wasserdampf auf die Dynamik und die Strahlungseigenschaften in der UTLS. Die in dieser Arbeit vorgestellte Entwicklung einer neuen Messmethode für Wasserdampf mit dem Massenspektrometer AIMS-H2O ist deshalb auf die genaue Messung niedriger Wasserdampfkonzentrationen in der UTLS fokussiert. Mit AIMS H2O wird Umgebungsluft in einer neu entwickelten Gasentladungsquelle ionisiert. Durch eine Reihe von Ionen-Molekül-Reaktionen entstehen H3O+(H2O) und H3O+(H2O)2 Ionen. Diese Ionen werden genutzt, um die Wasserdampfkonzentration in der Atmosphäre zu bestimmen. Um die erforderliche hohe Genauigkeit zu erzielen, wird AIMS H2O im Flug kalibriert. In dem zu diesem Zweck aufgebauten Kalibrationsmodul wird die katalytische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff auf einer Platinoberfläche genutzt, um definierte Wasserdampfkonzentrationen für die Kalibration im Flug zu erzeugen. Bei ersten Messungen auf der Falcon während der Kampagne CONCERT 2011 konnte dabei eine Genauigkeit von 8 bis 15% für die Messung der Wasserdampfkonzentration in einem Messbereich von 0,5 bis 250 ppmv erreicht werden. Die Messfrequenz betrug 4 Hz, was einer räumlichen Auflösung von etwa 50 m entspricht. Der Vergleich der Messung des Massenspektrometers mit dem Laserhygrometer Waran zeigt eine sehr gute Übereinstimmung im Rahmen der Unsicherheiten. Anhand zweier Fallstudien werden die Messungen von AIMS H2O während CONCERT 2011 detailliert analysiert. In der ersten Studie werden zwei Flüge in eine stratosphärische Intrusion über Nordeuropa untersucht. In dieser Situation wurde stratosphärische Luft bis hinunter auf 6 km Höhe transportiert und war dadurch mit der Falcon erreichbar. Es konnte gezeigt werden, dass AIMS-H2O sehr gut für die genaue Messung niedriger Wasserdampfkonzentrationen, in diesem Fall bis etwa 3,5 ppmv, geeignet ist. Der Vergleich der Messung mit Analysen des ECMWF Integrated Forecast Systems zeigt eine gute Übereinstimmung der gemessenen Wasserdampfstrukturen mit der dynamischen Tropopause. Unterschiede tauchen dagegen beim Vergleich der Wasserdampfkonzentrationen in der unteren Stratosphäre auf. Hier prognostiziert das Modell deutlich höhere Feuchten. Die zweite Fallstudie beschäftigt sich mit der Verteilung der relativen Feuchte in jungen Kondensstreifen im Vergleich zu ihrer direkten Umgebung. Dabei wurde für drei Messsequenzen im Abgasstrahl von Flugzeugen beobachtet, dass die relative Feuchte innerhalb des Kondensstreifens im Vergleich zur Umgebung sowohl bei unter- als auch übersättigten Umgebungsbedingungen in Richtung Sättigung verschoben ist. Die hohe Anzahl an Eispartikeln und die damit verbundene große Eisoberfläche in jungen Kondensstreifen führt also zu einer schnellen Relaxation von Gasphase und Eis in Richtung Gleichgewicht. In der Zukunft soll AIMS-H2O auch auf HALO für die genaue Messung von Wasserdampf bei ML-CIRRUS und weiteren Kampagnen eingesetzt werden.

The oxidation capacity of the atmosphere - OH and HO 2 radical measurements in a boreal forest environment using laser induced fluorescence spectroscopy

Das wichtigste Oxidationsmittel für den Abbau flüchtiger Kohlenwasserstoffverbindungen (VOC, engl.: volatile organic compounds) in der Atmosphäre ist das Hydroxylradikal (OH), welches sich in einem schnellen chemischen Gleichgewicht mit dem Hydroperoxylradical (HO2) befindet. Bisherige Messungen und Modellvergleiche dieser Radikalspezies in Waldgebieten haben signifikante Lücken im Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse aufgezeigt.rnIm Rahmen dieser Doktorarbeit wurden Messungen von OH- und HO2-Radikalen mittelsrnlaserinduzierten Fluoreszensmesstechnik (LIF, engl.: laser-induced fluorescence) in einem Nadelwald in Süd-Finnland während der Messkampagne HUMPPA–COPEC–2010 (Hyytiälä United Measurements of Photochemistry and Particles in Air – Comprehensive Organic Precursor Emission and Concentration study) im Sommer 2010 durchgeführt. Unterschiedliche Komponenten des LIF-Instruments wurden verbessert. Eine modifizierte Methode zur Bestimmung des Hintergrundsignals (engl.: InletPreInjector technique) wurde in den Messaufbaurnintegriert und erstmals zur Messung von atmosphärischem OH verwendet. Vergleichsmessungen zweier Instrumente basierend auf unterschiedlichen Methoden zur Messung von OH-Radikalen, chemische Ionisationsmassenspektrometrie (CIMS - engl.: chemical ionization mass spectrometry) und LIF-Technik, zeigten eine gute Übereinstimmung. Die Vergleichsmessungen belegen das Vermögen und die Leistungsfähigkeit des modifizierten LIF-Instruments atmosphärische OH Konzentrationen akkurat zu messen. Nachfolgend wurde das LIF-Instrument auf der obersten Plattform eines 20m hohen Turmes positioniert, um knapp oberhalb der Baumkronen die Radikal-Chemie an der Schnittstelle zwischen Ökosystem und Atmosphäre zu untersuchen. Umfangreiche Messungen - dies beinhaltet Messungen der totalen OH-Reaktivität - wurden durchgeführt und unter Verwendung von Gleichgewichtszustandsberechnungen und einem Boxmodell, in welches die gemessenen Daten als Randbedingungen eingehen, analysiert. Wenn moderate OH-Reaktivitäten(k′(OH)≤ 15 s−1) vorlagen, sind OH-Produktionsraten, die aus gemessenen Konzentrationen von OH-Vorläuferspezies berechnet wurden, konsistent mit Produktionsraten, die unter der Gleichgewichtsannahme von Messungen des totalen OH Verlustes abgeleitet wurden. Die primären photolytischen OH-Quellen tragen mit einem Anteil von bis zu einem Drittel zur Gesamt-OH-Produktion bei. Es wurde gezeigt, dass OH-Rezyklierung unter Bedingungen moderater OH-Reaktivität hauptsächlich durch die Reaktionen von HO2 mit NO oder O3 bestimmt ist. Während Zeiten hoher OH-Reaktivität (k′(OH) > 15 s−1) wurden zusätzliche Rezyklierungspfade, die nicht über die Reaktionen von HO2 mit NO oder O3, sondern direkt OH bilden, aufgezeigt.rnFür Hydroxylradikale stimmen Boxmodell-Simulationen und Messungen gut übereinrn(OHmod/OHobs=1.04±0.16), während HO2-Mischungsverhältnisse in der Simulation signifikant unterschätzt werden (HO2mod/HO2obs=0.3±0.2) und die simulierte OH-Reaktivität nicht mit der gemessenen OH-Reaktivität übereinstimmt. Die gleichzeitige Unterschätzung der HO2-Mischungsverhältnisse und der OH-Reaktivität, während OH-Konzentrationen von der Simulation gut beschrieben werden, legt nahe, dass die fehlende OH-Reaktivität in der Simulation eine noch unberücksichtigte HO2-Quelle darstellt. Zusätzliche, OH-unabhängigernRO2/HO2-Quellen, wie z.B. der thermische Zerfall von herantransportiertem peroxyacetylnitrat (PAN) und die Photolyse von Glyoxal sind indiziert.

Flugzeuggetragene in-situ Messungen zur Eis- und Flüssigphase troposphärischer Wolken

Die Mikrophysik in Wolken bestimmt deren Strahlungseigenschaften und beeinflusst somit auch den Strahlungshaushalt des Planeten Erde. Aus diesem Grund werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit die mikrophysikalischen Charakteristika von Cirrus-Wolken sowie von arktischen Grenzschicht-Wolken behandelt. Die Untersuchung dieser Wolken wurde mithilfe verschiedener Instrumente verwirklicht, welche Partikel in einem Durchmesserbereich von 250nm bis zu 6.4mm vermessen und an Forschungsflugzeugen montiert werden. Ein Instrumentenvergleich bestätigt, dass innerhalb der Bereiche in denen sich die Messungen dieser Instrumente überlappen, die auftretenden Diskrepanzen als sehr gering einzustufen sind. Das vorrangig verwendete Instrument trägt die Bezeichnung CCP (Cloud Combination Probe) und ist eine Kombination aus einem Instrument, das Wolkenpartikel anhand von vorwärts-gerichtetem Streulicht detektiert und einem weiteren, das zweidimensionale Schattenbilder einzelner Wolkenpartikel aufzeichnet. Die Untersuchung von Cirrus-Wolken erfolgt mittels Daten der AIRTOSS-ICE (AIRcraft TOwed Sensor Shuttle - Inhomogeneous Cirrus Experiment) Kampagne, welche im Jahr 2013 über der deutschen Nord- und Ostsee stattfand. Parameter wie Partikeldurchmesser, Partikelanzahlkonzentration, Partikelform, Eiswassergehalt, Wolkenhöhe und Wolkendicke der detektierten Cirrus-Wolken werden bestimmt und im Kontext des aktuellen Wissenstandes diskutiert. Des Weiteren wird eine beprobte Cirrus-Wolke im Detail analysiert, welche den typischen Entwicklungsprozess und die vertikale Struktur dieser Wolkengattung widerspiegelt. Arktische Grenzschicht-Wolken werden anhand von Daten untersucht, die während der VERDI (VERtical Distribution of Ice in Arctic Clouds) Kampagne im Jahr 2012 über der kanadischen Beaufortsee aufgezeichnet wurden. Diese Messkampagne fand im Frühling statt, um die Entwicklung von Eis-Wolken über Mischphasen-Wolken bis hin zu Flüssigwasser-Wolken zu beobachten. Unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen tritt innerhalb von Mischphasen-Wolken der sogenannte Wegener-Bergeron-Findeisen Prozess auf, bei dem Flüssigwassertropfen zugunsten von Eispartikeln verdampfen. Es wird bestätigt, dass dieser Prozess anhand von mikrophysikalischen Messungen, insbesondere den daraus resultierenden Größenverteilungen, nachweisbar ist. Darüber hinaus wird eine arktische Flüssigwasser-Wolke im Detail untersucht, welche im Inneren das Auftreten von monomodalen Tröpfchen-Größenverteilungen zeigt. Mit zunehmender Höhe wachsen die Tropfen an und die Maxima der Größenverteilungen verschieben sich hin zu größeren Durchmessern. Dahingegen findet im oberen Übergangsbereich dieser Flüssigwasser-Wolke, zwischen Wolke und freier Atmosphäre, ein Wechsel von monomodalen zu bimodalen Tröpfchen-Größenverteilungen statt. Diese weisen eine Mode 1 mit einem Tropfendurchmesser von 20μm und eine Mode 2 mit einem Tropfendurchmesser von 10μm auf. Das dieses Phänomen eventuell typisch für arktische Flüssigwasser-Wolken ist, zeigen an dem Datensatz durchgeführte Analysen. Mögliche Entstehungsprozesse der zweiten Mode können durch Kondensation von Wasserdampf auf eingetragenen Aerosolpartikeln, die aus einer Luftschicht oberhalb der Wolke stammen oder durch Wirbel, welche trockene Luftmassen in die Wolke induzieren und Verdampfungsprozesse von Wolkentröpfchen hervorrufen, erklärt werden. Unter Verwendung einer direkten numerischen Simulation wird gezeigt, dass die Einmischung von trockenen Luftmassen in den Übergangsbereich der Wolke am wahrscheinlichsten die Ausbildung von Mode 2 verursacht.

Climate forcing reconstructions for use in the PMIP simulations of the last millennium

Simulations of climate over the Last Millennium (850–1850 CE) have been incorporated into the third phase of the Paleoclimate Modelling Intercomparison Project (PMIP3). The drivers of climate over this period are chiefly orbital, solar, volcanic, changes in land use/land cover and some variation in greenhouse gas levels. While some of these effects can be easily defined, the reconstructions of solar, volcanic and land use-related forcing are more uncertain. We describe here the approach taken in defining the scenarios used in PMIP3, document the forcing reconstructions and discuss likely implications.

LakeMIP Kivu: evaluating the representation of a large, deep tropical lake by a set of one-dimensional lake models

The African great lakes are of utmost importance for the local economy (fishing), as well as being essential to the survival of the local people. During the past decades, these lakes experienced fast changes in ecosystem structure and functioning, and their future evolution is a major concern. In this study, for the first time a set of one-dimensional lake models are evaluated for Lake Kivu (2.28°S; 28.98°E), East Africa. The unique limnology of this meromictic lake, with the importance of salinity and subsurface springs in a tropical high-altitude climate, presents a worthy challenge to the seven models involved in the Lake Model Intercomparison Project (LakeMIP). Meteorological observations from two automatic weather stations are used to drive the models, whereas a unique dataset, containing over 150 temperature profiles recorded since 2002, is used to assess the model’s performance. Simulations are performed over the freshwater layer only (60 m) and over the average lake depth (240 m), since salinity increases with depth below 60 m in Lake Kivu and some lake models do not account for the influence of salinity upon lake stratification. All models are able to reproduce the mixing seasonality in Lake Kivu, as well as the magnitude and seasonal cycle of the lake enthalpy change. Differences between the models can be ascribed to variations in the treatment of the radiative forcing and the computation of the turbulent heat fluxes. Fluctuations in wind velocity and solar radiation explain inter-annual variability of observed water column temperatures. The good agreement between the deep simulations and the observed meromictic stratification also shows that a subset of models is able to account for the salinity- and geothermal-induced effects upon deep-water stratification. Finally, based on the strengths and weaknesses discerned in this study, an informed choice of a one-dimensional lake model for a given research purpose becomes possible.

Atmospheric CO₂ response to volcanic eruptions: The role of ENSO, season, and variability

Tropical explosive volcanism is one of the most important natural factors that significantly impact the climate system and the carbon cycle on annual to multi-decadal time scales. The three largest explosive eruptions in the last 50�years�Agung, El Chichón, and Pinatubo�occurred in spring/summer in conjunction with El Niño events and left distinct negative signals in the observational temperature and CO2 records. However, confounding factors such as seasonal variability and El Niño-Southern Oscillation (ENSO) may obscure the forcing-response relationship. We determine for the first time the extent to which initial conditions, i.e., season and phase of the ENSO, and internal variability influence the coupled climate and carbon cycle response to volcanic forcing and how this affects estimates of the terrestrial and oceanic carbon sinks. Ensemble simulations with the Earth System Model (Climate System Model 1.4-carbon) predict that the atmospheric CO2 response is �60 larger when a volcanic eruption occurs during El Niño and in winter than during La Niña conditions. Our simulations suggest that the Pinatubo eruption contributed 11�±�6 to the 25�Pg terrestrial carbon sink inferred over the decade 1990�1999 and �2�±�1 to the 22�Pg oceanic carbon sink. In contrast to recent claims, trends in the airborne fraction of anthropogenic carbon cannot be detected when accounting for the decadal-scale influence of explosive volcanism and related uncertainties. Our results highlight the importance of considering the role of natural variability in the carbon cycle for interpretation of observations and for data-model intercomparison.

IMILAST: A community effort to intercompare extratropical cyclone detection and tracking algorithms: assessing method-related uncertainties

The variability of results from different automated methods of detection and tracking of extratropical cyclones is assessed in order to identify uncertainties related to the choice of method. Fifteen international teams applied their own algorithms to the same dataset - the period 1989-2009 of interim European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) Re-Analysis (ERAInterim) data. This experiment is part of the community project Intercomparison of Mid Latitude Storm Diagnostics (IMILAST; see www.proclim.ch/imilast/index.html). The spread of results for cyclone frequency, intensity, life cycle, and track location is presented to illustrate the impact of using different methods. Globally, methods agree well for geographical distribution in large oceanic regions, interannual variability of cyclone numbers, geographical patterns of strong trends, and distribution shape for many life cycle characteristics. In contrast, the largest disparities exist for the total numbers of cyclones, the detection of weak cyclones, and distribution in some densely populated regions. Consistency between methods is better for strong cyclones than for shallow ones. Two case studies of relatively large, intense cyclones reveal that the identification of the most intense part of the life cycle of these events is robust between methods, but considerable differences exist during the development and the dissolution phases.

Carbon dioxide and climate impulse response functions for the computation of greenhouse gas metrics: a multi-model analysis

The responses of carbon dioxide (CO2) and other climate variables to an emission pulse of CO2 into the atmosphere are often used to compute the Global Warming Potential (GWP) and Global Temperature change Potential (GTP), to characterize the response timescales of Earth System models, and to build reduced-form models. In this carbon cycle-climate model intercomparison project, which spans the full model hierarchy, we quantify responses to emission pulses of different magnitudes injected under different conditions. The CO2 response shows the known rapid decline in the first few decades followed by a millennium-scale tail. For a 100 Gt-C emission pulse added to a constant CO2 concentration of 389 ppm, 25 ± 9% is still found in the atmosphere after 1000 yr; the ocean has absorbed 59 ± 12% and the land the remainder (16 ± 14%). The response in global mean surface air temperature is an increase by 0.20 ± 0.12 °C within the first twenty years; thereafter and until year 1000, temperature decreases only slightly, whereas ocean heat content and sea level continue to rise. Our best estimate for the Absolute Global Warming Potential, given by the time-integrated response in CO2 at year 100 multiplied by its radiative efficiency, is 92.5 × 10−15 yr W m−2 per kg-CO2. This value very likely (5 to 95% confidence) lies within the range of (68 to 117) × 10−15 yr W m−2 per kg-CO2. Estimates for time-integrated response in CO2 published in the IPCC First, Second, and Fourth Assessment and our multi-model best estimate all agree within 15% during the first 100 yr. The integrated CO2 response, normalized by the pulse size, is lower for pre-industrial conditions, compared to present day, and lower for smaller pulses than larger pulses. In contrast, the response in temperature, sea level and ocean heat content is less sensitive to these choices. Although, choices in pulse size, background concentration, and model lead to uncertainties, the most important and subjective choice to determine AGWP of CO2 and GWP is the time horizon.

Large-scale temperature response to external forcing in simulations and reconstructions of the last millennium

Understanding natural climate variability and its driving factors is crucial to assessing future climate change. Therefore, comparing proxy-based climate reconstructions with forcing factors as well as comparing these with paleoclimate model simulations is key to gaining insights into the relative roles of internal versus forced variability. A review of the state of modelling of the climate of the last millennium prior to the CMIP5–PMIP3 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5–Paleoclimate Modelling Intercomparison Project Phase 3) coordinated effort is presented and compared to the available temperature reconstructions. Simulations and reconstructions broadly agree on reproducing the major temperature changes and suggest an overall linear response to external forcing on multidecadal or longer timescales. Internal variability is found to have an important influence at hemispheric and global scales. The spatial distribution of simulated temperature changes during the transition from the Medieval Climate Anomaly to the Little Ice Age disagrees with that found in the reconstructions. Thus, either internal variability is a possible major player in shaping temperature changes through the millennium or the model simulations have problems realistically representing the response pattern to external forcing. A last millennium transient climate response (LMTCR) is defined to provide a quantitative framework for analysing the consistency between simulated and reconstructed climate. Beyond an overall agreement between simulated and reconstructed LMTCR ranges, this analysis is able to single out specific discrepancies between some reconstructions and the ensemble of simulations. The disagreement is found in the cases where the reconstructions show reduced covariability with external forcings or when they present high rates of temperature change.

Present state of global wetland extent and wetland methane modelling: methodology of a model inter-comparison project (WETCHIMP)

The Wetland and Wetland CH4 Intercomparison of Models Project (WETCHIMP) was created to evaluate our present ability to simulate large-scale wetland characteristics and corresponding methane (CH4) emissions. A multi-model comparison is essential to evaluate the key uncertainties in the mechanisms and parameters leading to methane emissions. Ten modelling groups joined WETCHIMP to run eight global and two regional models with a common experimental protocol using the same climate and atmospheric carbon dioxide (CO2) forcing datasets. We reported the main conclusions from the intercomparison effort in a companion paper (Melton et al., 2013). Here we provide technical details for the six experiments, which included an equilibrium, a transient, and an optimized run plus three sensitivity experiments (temperature, precipitation, and atmospheric CO2 concentration). The diversity of approaches used by the models is summarized through a series of conceptual figures, and is used to evaluate the wide range of wetland extent and CH4 fluxes predicted by the models in the equilibrium run. We discuss relationships among the various approaches and patterns in consistencies of these model predictions. Within this group of models, there are three broad classes of methods used to estimate wetland extent: prescribed based on wetland distribution maps, prognostic relationships between hydrological states based on satellite observations, and explicit hydrological mass balances. A larger variety of approaches was used to estimate the net CH4 fluxes from wetland systems. Even though modelling of wetland extent and CH4 emissions has progressed significantly over recent decades, large uncertainties still exist when estimating CH4 emissions: there is little consensus on model structure or complexity due to knowledge gaps, different aims of the models, and the range of temporal and spatial resolutions of the models.

Methane emissions from floodplains in the Amazon Basin: challenges in developing a process-based model for global applications

Tropical wetlands are estimated to represent about 50% of the natural wetland methane (CH4) emissions and explain a large fraction of the observed CH4 variability on timescales ranging from glacial–interglacial cycles to the currently observed year-to-year variability. Despite their importance, however, tropical wetlands are poorly represented in global models aiming to predict global CH4 emissions. This publication documents a first step in the development of a process-based model of CH4 emissions from tropical floodplains for global applications. For this purpose, the LPX-Bern Dynamic Global Vegetation Model (LPX hereafter) was slightly modified to represent floodplain hydrology, vegetation and associated CH4 emissions. The extent of tropical floodplains was prescribed using output from the spatially explicit hydrology model PCR-GLOBWB. We introduced new plant functional types (PFTs) that explicitly represent floodplain vegetation. The PFT parameterizations were evaluated against available remote-sensing data sets (GLC2000 land cover and MODIS Net Primary Productivity). Simulated CH4 flux densities were evaluated against field observations and regional flux inventories. Simulated CH4 emissions at Amazon Basin scale were compared to model simulations performed in the WETCHIMP intercomparison project. We found that LPX reproduces the average magnitude of observed net CH4 flux densities for the Amazon Basin. However, the model does not reproduce the variability between sites or between years within a site. Unfortunately, site information is too limited to attest or disprove some model features. At the Amazon Basin scale, our results underline the large uncertainty in the magnitude of wetland CH4 emissions. Sensitivity analyses gave insights into the main drivers of floodplain CH4 emission and their associated uncertainties. In particular, uncertainties in floodplain extent (i.e., difference between GLC2000 and PCR-GLOBWB output) modulate the simulated emissions by a factor of about 2. Our best estimates, using PCR-GLOBWB in combination with GLC2000, lead to simulated Amazon-integrated emissions of 44.4 ± 4.8 Tg yr−1. Additionally, the LPX emissions are highly sensitive to vegetation distribution. Two simulations with the same mean PFT cover, but different spatial distributions of grasslands within the basin, modulated emissions by about 20%. Correcting the LPX-simulated NPP using MODIS reduces the Amazon emissions by 11.3%. Finally, due to an intrinsic limitation of LPX to account for seasonality in floodplain extent, the model failed to reproduce the full dynamics in CH4 emissions but we proposed solutions to this issue. The interannual variability (IAV) of the emissions increases by 90% if the IAV in floodplain extent is accounted for, but still remains lower than in most of the WETCHIMP models. While our model includes more mechanisms specific to tropical floodplains, we were unable to reduce the uncertainty in the magnitude of wetland CH4 emissions of the Amazon Basin. Our results helped identify and prioritize directions towards more accurate estimates of tropical CH4 emissions, and they stress the need for more research to constrain floodplain CH4 emissions and their temporal variability, even before including other fundamental mechanisms such as floating macrophytes or lateral water fluxes.

On the evolution of the oceanic component of the IPSL climate models from CMIP3 to CMIP5: A mean state comparison

This study analyses the impact on the oceanic mean state of the evolution of the oceanic component (NEMO) of the climate model developed at Institut Pierre Simon Laplace (IPSL-CM), from the version IPSL-CM4, used for third phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP3), to IPSL-CM5A, used for CMIP5. Several modifications have been implemented between these two versions, in particular an interactive coupling with a biogeochemical module, a 3-band model for the penetration of the solar radiation, partial steps at the bottom of the ocean and a set of physical parameterisations to improve the representation of the impact of turbulent and tidal mixing. A set of forced and coupled experiments is used to single out the effect of each of these modifications and more generally the evolution of the oceanic component on the IPSL coupled models family. Major improvements are located in the Southern Ocean, where physical parameterisations such as partial steps and tidal mixing reinforce the barotropic transport of water mass, in particular in the Antarctic Circumpolar Current) and ensure a better representation of Antarctic bottom water masses. However, our analysis highlights that modifications, which substantially improve ocean dynamics in forced configuration, can yield or amplify biases in coupled configuration. In particular, the activation of radiative biophysical coupling between biogeochemical cycle and ocean dynamics results in a cooling of the ocean mean state. This illustrates the difficulty to improve and tune coupled climate models, given the large number of degrees of freedom and the potential compensating effects masking some biases.

Northern Hemisphere temperature reconstruction during the last millennium using multiple annual proxies

Previous studies have either exclusively used annual tree-ring data or have combined tree-ring series with other, lower temporal resolution proxy series. Both approaches can lead to significant uncertainties, as tree-rings may underestimate the amplitude of past temperature variations, and the validity of non-annual records cannot be clearly assessed. In this study, we assembled 45 published Northern Hemisphere (NH) temperature proxy records covering the past millennium, each of which satisfied 3 essential criteria: the series must be of annual resolution, span at least a thousand years, and represent an explicit temperature signal. Suitable climate archives included ice cores, varved lake sediments, tree-rings and speleothems. We reconstructed the average annual land temperature series for the NH over the last millennium by applying 3 different reconstruction techniques: (1) principal components (PC) plus second-order autoregressive model (AR2), (2) composite plus scale (CPS) and (3) regularized errors-in-variables approach (EIV). Our reconstruction is in excellent agreement with 6 climate model simulations (including the first 5 models derived from the fifth phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5) and an earth system model of intermediate complexity (LOVECLIM), showing similar temperatures at multi-decadal timescales; however, all simulations appear to underestimate the temperature during the Medieval Warm Period (MWP). A comparison with other NH reconstructions shows that our results are consistent with earlier studies. These results indicate that well-validated annual proxy series should be used to minimize proxy-based artifacts, and that these proxy series contain sufficient information to reconstruct the low-frequency climate variability over the past millennium.