Effect of surface restoring on subsurface variability in a climate model during 1949-2005

Initializing the ocean for decadal predictability studies is a challenge, as it requires reconstructing the little observed subsurface trajectory of ocean variability. In this study we explore to what extent surface nudging using well-observed sea surface temperature (SST) can reconstruct the deeper ocean variations for the 1949–2005 period. An ensemble made with a nudged version of the IPSLCM5A model and compared to ocean reanalyses and reconstructed datasets. The SST is restored to observations using a physically-based relaxation coefficient, in contrast to earlier studies, which use a much larger value. The assessment is restricted to the regions where the ocean reanalyses agree, i.e. in the upper 500 m of the ocean, although this can be latitude and basin dependent. Significant reconstruction of the subsurface is achieved in specific regions, namely region of subduction in the subtropical Atlantic, below the thermocline in the equatorial Pacific and, in some cases, in the North Atlantic deep convection regions. Beyond the mean correlations, ocean integrals are used to explore the time evolution of the correlation over 20-year windows. Classical fixed depth heat content diagnostics do not exhibit any significant reconstruction between the different existing observation-based references and can therefore not be used to assess global average time-varying correlations in the nudged simulations. Using the physically based average temperature above an isotherm (14 °C) alleviates this issue in the tropics and subtropics and shows significant reconstruction of these quantities in the nudged simulations for several decades. This skill is attributed to the wind stress reconstruction in the tropics, as already demonstrated in a perfect model study using the same model. Thus, we also show here the robustness of this result in an historical and observational context.

Reconstructing the subsurface ocean decadal variability using surface nudging in a perfect model framework

Initialising the ocean internal variability for decadal predictability studies is a new area of research and a variety of ad hoc methods are currently proposed. In this study, we explore how nudging with sea surface temperature (SST) and salinity (SSS) can reconstruct the three-dimensional variability of the ocean in a perfect model framework. This approach builds on the hypothesis that oceanic processes themselves will transport the surface information into the ocean interior as seen in ocean-only simulations. Five nudged simulations are designed to reconstruct a 150 years “target” simulation, defined as a portion of a long control simulation. The nudged simulations differ by the variables restored to, SST or SST + SSS, and by the area where the nudging is applied. The strength of the heat flux feedback is diagnosed from observations and the restoring coefficients for SSS use the same time-scale. We observed that this choice prevents spurious convection at high latitudes and near sea-ice border when nudging both SST and SSS. In the tropics, nudging the SST is enough to reconstruct the tropical atmosphere circulation and the associated dynamical and thermodynamical impacts on the underlying ocean. In the tropical Pacific Ocean, the profiles for temperature show a significant correlation from the surface down to 2,000 m, due to dynamical adjustment of the isopycnals. At mid-to-high latitudes, SSS nudging is required to reconstruct both the temperature and the salinity below the seasonal thermocline. This is particularly true in the North Atlantic where adding SSS nudging enables to reconstruct the deep convection regions of the target. By initiating a previously documented 20-year cycle of the model, the SST + SSS nudging is also able to reproduce most of the AMOC variations, a key source of decadal predictability. Reconstruction at depth does not significantly improve with amount of time spent nudging and the efficiency of the surface nudging rather depends on the period/events considered. The joint SST + SSS nudging applied everywhere is the most efficient approach. It ensures that the right water masses are formed at the right surface density, the subsequent circulation, subduction and deep convection further transporting them at depth. The results of this study underline the potential key role of SSS for decadal predictability and further make the case for sustained large-scale observations of this field.

Interaction of equatorial waves through resonance with the diurnal cycle of tropical heating

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

HCHO, H 2 O 2 und CH 3 OOH in der Troposphäre

In dieser Arbeit wurden im Rahmen der UTOPIHAN- und HOHPEX04-Projekte Peroxid- und Formaldehydmessungen in der Troposphäre durchgeführt und wissenschaftlich interpretiert. Die Messungen während UTOPIHAN fanden dabei an Bord eines für Forschungszwecke umgerüsteten Flugzeuges (Learjet 35A) im Wesentlichen in der freien, insbesondere in der oberen Troposphäre über Europa statt. Die Messungen während HOHPEX04 waren hingegen als Bodenmessungen an der sich abwechselnd in der bodennahen Grenzschicht und in von dieser Schicht entkoppelten Luftmassen liegenden Bergstation Hohenpeißenberg (bayerisches Voralpenland) konzipiert. Um eine quantitative Auswertbarkeit der Messungen sicherzustellen, wurden die verwendeten, auf chemischer Derivatisierung und fluorimetrischer Detektion basierenden Messgeräte AL 2001CA (Peroxide) und AL 4021 (Formaldehyd) (AEROLASER) genau charakterisiert. Dabei wurde speziell die bekannte Ozoninterferenz beider Geräte in einer großen Zahl von Laborexperimenten mit unterschiedlichen Randbedingungen bezüglich Wasserdampf- und Kohlenwasserstoffgehalt der Luft untersucht. Für beide Verbindungen wurden Höhen- sowie Breitenprofile erstellt und mit Ergebnissen eines 3D-Chemie-Transport-Modells (CTM) sowie früherer Studien verglichen. In einem weiteren Kapitel werden Ergebnisse einer quantitativen Studie zum Einfluss hochreichender Konvektion auf das HCHO-Budget in der mittleren und oberen Troposphäre präsentiert. Diese Studie kommt zu dem Schluss, dass der rasche Aufwärtstransport von Vorläufergasen von HCHO und HOx wie Methanol, Aceton und sogar gut löslicher Spurengase wie CH3OOH beziehungsweise H2O2 aus der Grenzschicht einen signifikanten, auf Grund der längeren Lebensdauer von NOx über mehrere Tage andauernden und damit großräumigen Einfluss auf die Budgets von HCHO, HOx und auch O3 in der oberen Troposphäre haben kann. Die Befunde der Studie legen desweiteren nahe, dass fehlerhafte Modellvorhersagen für die NO-Mischungsverhältnisse in der Tropopausenregion, die zum Beispiel mit Mängeln des Modells bezüglich der Höhe der Konvektion und des Stratosphären-Troposphären-Austauschs zu tun haben, hauptverantwortlich sind für gefundene Differenzen zwischen Messdaten und dem verwendeten 3D-Chemie-Transport-Modell. Um die Signifikanz der Aussagen zu erhöhen, wurde eine Sensitivitätsstudie durchgeführt, in der die Konzentration einiger chemischer Verbindungen sowie die Photolyseraten variiert wurden. Eine weitere Studie zum Einfluss verschiedener Parameter auf das CH3OOH/H2O2-Verhältnis kommt zu dem Schluss, dass dieses Verhältnis keinen idealen Indikator für Wolkenprozessierung von Luftmassen darstellt, während eine signifikant positive Abweichung vom H2O2/H2O-Verhältnis in der oberen Troposphäre ein guter Indikator für rasch aufwärts transportierte Luftmassen sein kann. Im Rahmen dieser Studie werden auch Höhen- und Breitenprofile des CH3OOH/H2O2-Verhältnisses diskutiert. In einer letzten Untersuchung zu HCHO-Messungen am Observatorium Hohenpeißenberg im Sommer 2004 werden für die in zwei Windrichtungssektoren eingeteilten Daten Korrelationen anderer Spurengase wie O3, PAN, CO, NOy und Isopren mit HCHO interpretiert. In diesem Zusammenhang wird auch versucht, den beobachteten Tagesgang von HCHO zu erklären.

Verifikation der Niederschlagsvorhersage für Deutschland von 2001 - 2004

Die Verifikation numerischer Modelle ist für die Verbesserung der Quantitativen Niederschlagsvorhersage (QNV) unverzichtbar. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von neuen Methoden zur Verifikation der Niederschlagsvorhersagen aus dem regionalen Modell der MeteoSchweiz (COSMO-aLMo) und des Globalmodells des Europäischen Zentrums für Mittelfristvorhersage (engl.: ECMWF). Zu diesem Zweck wurde ein neuartiger Beobachtungsdatensatz für Deutschland mit stündlicher Auflösung erzeugt und angewandt. Für die Bewertung der Modellvorhersagen wurde das neue Qualitätsmaß „SAL“ entwickelt. Der neuartige, zeitlich und räumlich hoch-aufgelöste Beobachtungsdatensatz für Deutschland wird mit der während MAP (engl.: Mesoscale Alpine Program) entwickelten Disaggregierungsmethode erstellt. Die Idee dabei ist, die zeitlich hohe Auflösung der Radardaten (stündlich) mit der Genauigkeit der Niederschlagsmenge aus Stationsmessungen (im Rahmen der Messfehler) zu kombinieren. Dieser disaggregierte Datensatz bietet neue Möglichkeiten für die quantitative Verifikation der Niederschlagsvorhersage. Erstmalig wurde eine flächendeckende Analyse des Tagesgangs des Niederschlags durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass im Winter kein Tagesgang existiert und dies vom COSMO-aLMo gut wiedergegeben wird. Im Sommer dagegen findet sich sowohl im disaggregierten Datensatz als auch im COSMO-aLMo ein deutlicher Tagesgang, wobei der maximale Niederschlag im COSMO-aLMo zu früh zwischen 11-14 UTC im Vergleich zu 15-20 UTC in den Beobachtungen einsetzt und deutlich um das 1.5-fache überschätzt wird. Ein neues Qualitätsmaß wurde entwickelt, da herkömmliche, gitterpunkt-basierte Fehlermaße nicht mehr der Modellentwicklung Rechnung tragen. SAL besteht aus drei unabhängigen Komponenten und basiert auf der Identifikation von Niederschlagsobjekten (schwellwertabhängig) innerhalb eines Gebietes (z.B. eines Flusseinzugsgebietes). Berechnet werden Unterschiede der Niederschlagsfelder zwischen Modell und Beobachtungen hinsichtlich Struktur (S), Amplitude (A) und Ort (L) im Gebiet. SAL wurde anhand idealisierter und realer Beispiele ausführlich getestet. SAL erkennt und bestätigt bekannte Modelldefizite wie das Tagesgang-Problem oder die Simulation zu vieler relativ schwacher Niederschlagsereignisse. Es bietet zusätzlichen Einblick in die Charakteristiken der Fehler, z.B. ob es sich mehr um Fehler in der Amplitude, der Verschiebung eines Niederschlagsfeldes oder der Struktur (z.B. stratiform oder kleinskalig konvektiv) handelt. Mit SAL wurden Tages- und Stundensummen des COSMO-aLMo und des ECMWF-Modells verifiziert. SAL zeigt im statistischen Sinne speziell für stärkere (und damit für die Gesellschaft relevante Niederschlagsereignisse) eine im Vergleich zu schwachen Niederschlägen gute Qualität der Vorhersagen des COSMO-aLMo. Im Vergleich der beiden Modelle konnte gezeigt werden, dass im Globalmodell flächigere Niederschläge und damit größere Objekte vorhergesagt werden. Das COSMO-aLMo zeigt deutlich realistischere Niederschlagsstrukturen. Diese Tatsache ist aufgrund der Auflösung der Modelle nicht überraschend, konnte allerdings nicht mit herkömmlichen Fehlermaßen gezeigt werden. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methoden sind sehr nützlich für die Verifikation der QNV zeitlich und räumlich hoch-aufgelöster Modelle. Die Verwendung des disaggregierten Datensatzes aus Beobachtungen sowie SAL als Qualitätsmaß liefern neue Einblicke in die QNV und lassen angemessenere Aussagen über die Qualität von Niederschlagsvorhersagen zu. Zukünftige Anwendungsmöglichkeiten für SAL gibt es hinsichtlich der Verifikation der neuen Generation von numerischen Wettervorhersagemodellen, die den Lebenszyklus hochreichender konvektiver Zellen explizit simulieren.

Photochemie der Troposphäre in niedrigen und mittleren Breiten: Die Rolle von Konvektion

Ozon (O3) ist in der Atmosphäre ein wichtiges Oxidanz und Treibhausgas. Während die höchsten Konzentrationen in der Stratosphäre beobachtet werden und die vor der gefährlichen UV-Strahlung schützende Ozonschicht bilden, können sich signifikante Änderungen der Ozon-Konzentration in der Region der Tropopause auf das Klima der Erde auswirken. Des Weiteren ist Ozon eine der Hauptquellen für das Hydroxylradikal (OH) und nimmt damit entscheidend Einfluss auf die Oxidationskraft der Atmosphäre. Der konvektive Transport von Ozon und seinen Vorläufergasen aus Regionen nahe der Erdoberfläche in die freie Troposphäre beeinflusst das Budget dieser Spezies in der Tropopausenregion.rnDie Datengrundlage der Studie in der vorliegenden Arbeit basiert auf den flugzeuggetragenen Messkampagnen GABRIEL 2005 (Suriname, Südamerika) sowie HOOVER I 2006 und HOOVER II 2007 (beide in Europa). Mit dem zur Verfügung stehenden Datensatz wird das Ozonbudget in der freien, unbelasteten Hintergrundatmosphäre und in der durch hochreichende Konvektion gestörten, oberen Troposphäre untersucht. Anhand der auf in-situ Messungen von O3, NO, OH, HO2 und dem aktinischen Strahlungsfluss basierten Berechnung der Netto-Ozonproduktionsrate (NOPR) werden für das Messgebiet Ozontendenzen in der unbelasteten Troposphäre abgeleitet und mit Simulationen des globalen Chemie-Transport-Modells MATCH-MPIC verglichen. Mit Hilfe zweier Fallstudien in den Tropen in Südamerika und den mittleren Breiten in Europa werden die Auswirkungen von hochreichender Konvektion auf die obere Troposphäre quantifiziert.rnDie Ergebnisse zeigen für die Grenzschicht in niedrigen und mittleren Breiten eine eindeutige Tendenz zur Produktion von Ozon, was für den tropischen Regenwald in der Messregion nicht der allgemeinen Erwartung entsprach, nach der diese Region durch die Zerstörung von Ozon charakterisiert sein sollte. In der oberen Troposphäre ab etwa 7 km wird für die beiden Regionen eine leichte Tendenz zur Ozonproduktion beobachtet. Signifikante Unterschiede zeigen die Ergebnisse für die mittlere Troposphäre. Während die Tropen in dieser Region durch eine eindeutige Tendenz zur Zerstörung von Ozon charakterisiert sind, lässt sich über den mittleren Breiten zwar eine hohe photochemische Aktivität aber keine derart klare Tendenz feststellen. Die hohen Breiten zeichnen sich durch eine neutrale Troposphäre in Bezug auf die Ozontendenz aus und weisen kaum photochemische Aktivität auf. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit dem MATCH-MPIC Modell zeigt in weiten Teilen der Messregionen eine grundlegende Übereinstimmung in der Tendenz zur Produktion oder Zerstörung von Ozon. Die absoluten Werte werden vom Modell aber generell unterschätzt. Signifikante Unterschiede zwischen in-situ Daten und Modellsimulationen werden in der Grenzschicht über dem tropischen Regenwald identifiziert.rnDer Einfluss der Konvektion ist durch eine signifikant erhöhte NOPR gekennzeichnet. In dieser Arbeit wird in den Tropen mit einem Median-Wert von 0.20 ppbv h−1 eine um den Faktor 3.6 erhöhte NOPR im Vergleich zur ungestörten oberen Troposphäre abgeschätzt. In den mittleren Breiten führt die um eine Größenordnung höhere NO-Konzentration zu einem Wert von 1.89 ppbv h−1, was einer Überhöhung um einen Faktor 6.5 im Vergleich zum ungestörten Zustand entspricht. Diese Ergebnisse zeigen für beide Regionen in der oberen Troposphäre eine erhöhte Ozonproduktion als Folge konvektiver Aktivität. rnrnHochreichende Konvektion ist zudem ein sehr effektiver Mechanismus für den Vertikaltransport aus der Grenzschicht in die obere Troposphäre. Die schnelle Hebung in konvektiven Wolken führt bei Spurengasen mit Quellen an der Erdoberfläche zu einer Erhöhung ihrer Konzentration in der oberen Troposphäre. Die hochgradig löslichen Spurenstoffe Formaldehyd (HCHO) und Wasserstoffperoxid (H2O2) sind wichtige Vorläufergase der HOx-Radikale. Es wird angenommen, dass sie aufgrund ihrer Löslichkeit in Gewitterwolken effektiv ausgewaschen werden.rnIn der vorliegenden Arbeit wird eine Fallstudie von hochreichender Konvektion im Rahmen des HOOVER II Projekts im Sommer 2007 analysiert. Am 19.07.2007 entwickelten sich am Nachmittag am Südostrand eines in nordöstlicher Richtung ziehenden mesoskaligen konvektiven Systems drei zunächst isolierte konvektive Zellen. Flugzeuggetragene Messungen in der Aus- und der Einströmregion einer dieser Gewitterzellen stellen einen exzellenten Datensatz bereit, um die Auswirkungen von hochreichender Konvektion auf die Verteilung verschiedener Spurengase in der oberen Troposphäre zu untersuchen. Der Vergleich der Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid (CO) und Methan (CH4) zwischen der oberen Troposphäre und der Grenzschicht deutet auf einen nahezu unverdünnten Transport dieser langlebigen Spezies in der konvektiven Zelle hin. Die Verhältnisse betragen (0.94±0.04) für CO und (0.99±0.01) für CH4. Für die löslichen Spezies HCHO und H2O2 beträgt dieses Verhältnis in der Ausströmregion (0.55±0.09) bzw. (0.61±0.08). Dies ist ein Indiz dafür, dass diese Spezies nicht so effektiv ausgewaschen werden wie angenommen. Zum besseren Verständnis des Einflusses der Konvektion auf die Budgets dieser Spezies in der oberen Troposphäre wurden im Rahmen dieser Arbeit Boxmodell-Studien für den Beitrag der photochemischen Produktion in der Ausströmregion durchgeführt, wobei die gemessenen Spezies und Photolysefrequenzen als Randbedingungen dienten. Aus den Budgetbetrachtungen für HCHO und H2O2 wird eine Auswascheffizienz von (67±24) % für HCHO und (41±18) % für H2O2 abgeschätzt. Das für H2O2 überraschende Ergebnis lässt darauf schließen, dass dieses Molekül in einer Gewitterwolke deutlich effektiver transportiert werden kann, als aufgrund seiner hohen Löslichkeit aus der Henry-Konstanten zu erwarten wäre. Das Ausgasen von gelöstem H2O2 beim Gefrieren eines Wolkentropfens, d.h. ein Retentionskoeffizient kleiner 1, ist ein möglicher Mechanismus, der zum beobachteten Mischungsverhältnis dieser löslichen Spezies in der Ausströmregion beitragen kann.

Merkmalsbezogene Verifikation hochaufgelöster Niederschlagsvorhersagen für Deutschland

Die Verifikation bewertet die Güte von quantitativen Niederschlagsvorhersagen(QNV) gegenüber Beobachtungen und liefert Hinweise auf systematische Modellfehler. Mit Hilfe der merkmals-bezogenen Technik SAL werden simulierte Niederschlagsverteilungen hinsichtlich (S)truktur, (A)mplitude und (L)ocation analysiert. Seit einigen Jahren werden numerische Wettervorhersagemodelle benutzt, mit Gitterpunktabständen, die es erlauben, hochreichende Konvektion ohne Parametrisierung zu simulieren. Es stellt sich jetzt die Frage, ob diese Modelle bessere Vorhersagen liefern. Der hoch aufgelöste stündliche Beobachtungsdatensatz, der in dieser Arbeit verwendet wird, ist eine Kombination von Radar- und Stationsmessungen. Zum einem wird damit am Beispiel der deutschen COSMO-Modelle gezeigt, dass die Modelle der neuesten Generation eine bessere Simulation des mittleren Tagesgangs aufweisen, wenn auch mit zu geringen Maximum und etwas zu spätem Auftreten. Im Gegensatz dazu liefern die Modelle der alten Generation ein zu starkes Maximum, welches erheblich zu früh auftritt. Zum anderen wird mit dem neuartigen Modell eine bessere Simulation der räumlichen Verteilung des Niederschlags, durch eine deutliche Minimierung der Luv-/Lee Proble-matik, erreicht. Um diese subjektiven Bewertungen zu quantifizieren, wurden tägliche QNVs von vier Modellen für Deutschland in einem Achtjahreszeitraum durch SAL sowie klassischen Maßen untersucht. Die höher aufgelösten Modelle simulieren realistischere Niederschlagsverteilungen(besser in S), aber bei den anderen Komponenten tritt kaum ein Unterschied auf. Ein weiterer Aspekt ist, dass das Modell mit der gröbsten Auf-lösung(ECMWF) durch den RMSE deutlich am besten bewertet wird. Darin zeigt sich das Problem des ‚Double Penalty’. Die Zusammenfassung der drei Komponenten von SAL liefert das Resultat, dass vor allem im Sommer das am feinsten aufgelöste Modell (COSMO-DE) am besten abschneidet. Hauptsächlich kommt das durch eine realistischere Struktur zustande, so dass SAL hilfreiche Informationen liefert und die subjektive Bewertung bestätigt. rnIm Jahr 2007 fanden die Projekte COPS und MAP D-PHASE statt und boten die Möglich-keit, 19 Modelle aus drei Modellkategorien hinsichtlich ihrer Vorhersageleistung in Südwestdeutschland für Akkumulationszeiträume von 6 und 12 Stunden miteinander zu vergleichen. Als Ergebnisse besonders hervorzuheben sind, dass (i) je kleiner der Gitter-punktabstand der Modelle ist, desto realistischer sind die simulierten Niederschlags-verteilungen; (ii) bei der Niederschlagsmenge wird in den hoch aufgelösten Modellen weniger Niederschlag, d.h. meist zu wenig, simuliert und (iii) die Ortskomponente wird von allen Modellen am schlechtesten simuliert. Die Analyse der Vorhersageleistung dieser Modelltypen für konvektive Situationen zeigt deutliche Unterschiede. Bei Hochdrucklagen sind die Modelle ohne Konvektionsparametrisierung nicht in der Lage diese zu simulieren, wohingegen die Modelle mit Konvektionsparametrisierung die richtige Menge, aber zu flächige Strukturen realisieren. Für konvektive Ereignisse im Zusammenhang mit Fronten sind beide Modelltypen in der Lage die Niederschlagsverteilung zu simulieren, wobei die hoch aufgelösten Modelle realistischere Felder liefern. Diese wetterlagenbezogene Unter-suchung wird noch systematischer unter Verwendung der konvektiven Zeitskala durchge-führt. Eine erstmalig für Deutschland erstellte Klimatologie zeigt einen einer Potenzfunktion folgenden Abfall der Häufigkeit dieser Zeitskala zu größeren Werten hin auf. Die SAL Ergebnisse sind für beide Bereiche dramatisch unterschiedlich. Für kleine Werte der konvektiven Zeitskala sind sie gut, dagegen werden bei großen Werten die Struktur sowie die Amplitude deutlich überschätzt. rnFür zeitlich sehr hoch aufgelöste Niederschlagsvorhersagen gewinnt der Einfluss der zeitlichen Fehler immer mehr an Bedeutung. Durch die Optimierung/Minimierung der L Komponente von SAL innerhalb eines Zeitfensters(+/-3h) mit dem Beobachtungszeit-punkt im Zentrum ist es möglich diese zu bestimmen. Es wird gezeigt, dass bei optimalem Zeitversatz die Struktur und Amplitude der QNVs für das COSMO-DE besser werden und damit die grundsätzliche Fähigkeit des Modells die Niederschlagsverteilung realistischer zu simulieren, besser gezeigt werden kann.

Airborne in situ measurements of ice particles in the tropical tropopause layer

Ice clouds have a strong effect on the Earth-atmosphere radiative energy balance, on the distribution of condensable gases in the atmosphere, as well as on the chemical composition of the air. The ice particles in these clouds can take on a variety of shapes which makes the description of the cloud microphysical properties more difficult. In the tropical upper troposphere/lower stratosphere (UTLS), a region where ice cloud abundance is relatively high, different types of ice clouds can be observed. However, in situ measurements are rare due to the high altitude of these clouds and the few available research aircraft, only three worldwide, that can fly at such altitudes.rnThis work focuses on in situ measurements of the tropical UTLS clouds performedrnwith a Cloud Imaging Probe (CIP) and a Forward Scattering Spectrometer Probern(FSSP-100), whereof the CIP is the key instrument of this thesis. The CIP is anrnairborne in situ instrument that obtains two-dimensional shadow images of cloud particles. Several cloud microphysical parameters can be derived from these measurements, e.g. number concentrations and size distributions. In order to obtain a high quality data set, a careful image analysis and several corrections need to be applied to the CIP observations. These methods are described in detail.rnMeasurements within the tropical UTLS have been performed during two campaigns:rnSCOUT-O3, 2005 in Northern Australia and SCOUT-AMMA, 2006 inWest Africa. Thernobtained data set includes first observations of subvisible cirrus clouds over a continental area and observations of the anvils of deep convective clouds. The latter can be further divided into clouds in mesoscale convective system outflows of different ages and clouds in overshooting cloud turrets that even penetrated the stratosphere. The microphysical properties of these three cloud types are discussed in detail. Furthermore, the vertical structure of the ice clouds in the UTLS is investigated. The values of the microphysical parameters were found to decrease with increasing altitude in the upper troposphere. Particle numbers and maximum sizes were also decreasing with increasing age of the outflow clouds. Further differences between the deep convective clouds and subvisible cirrus were found in the particle morphology as well as in the ratio of the observed aerosol particles to cloud particles which indicates that the different freezing processes (deposition, contact, immersion freezing) play different roles in the formation of the respective clouds. For the achievementrnof a better microphysical characterisation and description numerical fits have been adjusted onto the cloud particle size distributions of the subvisible cirrus as well as on the size distributions of the clouds at different altitudes in the UTLS.

Is the Atlantic subpolar gyre bistable in comprehensive coupled climate models?

The Atlantic subpolar gyre (SPG) is one of the main drivers of decadal climate variability in the North Atlantic. Here we analyze its dynamics in pre-industrial control simulations of 19 different comprehensive coupled climate models. The analysis is based on a recently proposed description of the SPG dynamics that found the circulation to be potentially bistable due to a positive feedback mechanism including salt transport and enhanced deep convection in the SPG center. We employ a statistical method to identify multiple equilibria in time series that are subject to strong noise and analyze composite fields to assess whether the bistability results from the hypothesized feedback mechanism. Because noise dominates the time series in most models, multiple circulation modes can unambiguously be detected in only six models. Four of these six models confirm that the intensification is caused by the positive feedback mechanism.

Coupling of eastern and western subpolar North Atlantic: salt transport in the Irminger Current

Salt transport in the Irminger Current and thus the coupling between eastern and western subpolar North Atlantic plays an important role for climate variability across a wide range of time scales. High-resolution ocean modeling and observations indicate that 5 salinities in the eastern subpolar North Atlantic decrease with enhanced circulation of the North Atlantic subpolar gyre (SPG). This has led to the perception that a stronger SPG also transports less salt westward. In this study, we analyze a regional ocean model and a comprehensive global coupled climate model, and show that a stronger SPG transports more salt in the Irminger Current irrespective of lower salinities in its 10 source region. The additional salt converges in the Labrador Sea and the Irminger Basin by eddy transports, increases surface salinity in the western SPG, and favors more intense deep convection. This is part of a positive feedback mechanism with potentially large implications for climate variability and predictability.

Reconstructing the subsurface ocean decadal variability using surface nudging in a perfect model framework

Initialising the ocean internal variability for decadal predictability studies is a new area of research and a variety of ad hoc methods are currently proposed. In this study, we explore how nudging with sea surface temperature (SST) and salinity (SSS) can reconstruct the threedimensional variability of the ocean in a perfect model framework. This approach builds on the hypothesis that oceanic processes themselves will transport the surface information into the ocean interior as seen in ocean-only simulations. Five nudged simulations are designed to reconstruct a 150 years ‘‘target’’ simulation, defined as a portion of a long control simulation. The nudged simulations differ by the variables restored to, SST or SST + SSS, and by the area where the nudging is applied. The strength of the heat flux feedback is diagnosed from observations and the restoring coefficients for SSS use the same time-scale. We observed that this choice prevents spurious convection at high latitudes and near sea-ice border when nudging both SST and SSS. In the tropics, nudging the SST is enough to reconstruct the tropical atmosphere circulation and the associated dynamical and thermodynamical impacts on the underlying ocean. In the tropical Pacific Ocean, the profiles for temperature show a significant correlation from the surface down to 2,000 m, due to dynamical adjustment of the isopycnals. At mid-tohigh latitudes, SSS nudging is required to reconstruct both the temperature and the salinity below the seasonal thermocline. This is particularly true in the North Atlantic where adding SSS nudging enables to reconstruct the deep convection regions of the target. By initiating a previously documented 20-year cycle of the model, the SST + SSS nudging is also able to reproduce most of the AMOC variations, a key source of decadal predictability. Reconstruction at depth does not significantly improve with amount of time spent nudging and the efficiency of the surface nudging rather depends on the period/events considered. The joint SST + SSS nudging applied verywhere is the most efficient approach. It ensures that the right water masses are formed at the right surface density, the subsequent circulation, subduction and deep convection further transporting them at depth. The results of this study underline the potential key role of SSS for decadal predictability and further make the case for sustained largescale observations of this field.

Effect of surface restoring on subsurface variability in a climate model during 1949–2005

Initializing the ocean for decadal predictability studies is a challenge, as it requires reconstructing the little observed subsurface trajectory of ocean variability. In this study we explore to what extent surface nudging using well-observed sea surface temperature (SST) can reconstruct the deeper ocean variations for the 1949–2005 period. An ensemble made with a nudged version of the IPSLCM5A model and compared to ocean reanalyses and reconstructed datasets. The SST is restored to observations using a physically-based relaxation coefficient, in contrast to earlier studies, which use a much larger value. The assessment is restricted to the regions where the ocean reanalyses agree, i.e. in the upper 500 m of the ocean, although this can be latitude and basin dependent. Significant reconstruction of the subsurface is achieved in specific regions, namely region of subduction in the subtropical Atlantic, below the thermocline in the equatorial Pacific and, in some cases, in the North Atlantic deep convection regions. Beyond the mean correlations, ocean integrals are used to explore the time evolution of the correlation over 20-year windows. Classical fixed depth heat content diagnostics do not exhibit any significant reconstruction between the different existing bservation-based references and can therefore not be used to assess global average time-varying correlations in the nudged simulations. Using the physically based average temperature above an isotherm (14°C) alleviates this issue in the tropics and subtropics and shows significant reconstruction of these quantities in the nudged simulations for several decades. This skill is attributed to the wind stress reconstruction in the tropics, as already demonstrated in a perfect model study using the same model. Thus, we also show here the robustness of this result in an historical and observational context.

Physical oceanography from the TRACTOR project

Primary Objectives - Describe and quantify the present strength and variability of the circulation and oceanic processes of the Nordic Seas regions using primarily observations of the long term spread of a tracer purposefully released into the Greenland Sea Gyre in 1996. - Improve our understanding of ocean processes critical to the thermaholine circulation in the Nordic Seas regions so as to be able to predict how this region may respond to climate change. - Assess the role of mixing and ageing of water masses on the carbon transport and the role of the thermohaline circulation in carbon storage using water transports and mixing coefficients derived from the tracer distribution. Specific Objectives Perform annual hydrographic, chemical and SF6 tracer surveys into the Nordic regions in order to: - Measure lateral and diapycnal mixing rates in the Greenland Sea Gyre and in the surrounding regions. - Document the depth and rates of convective mixing in the Greenland Sea using the SF6 and the water masses characteristics. - Measure the transit time and transport of water from the Greenland Sea to surrounding seas and outflows. Document processes of water mass transformation and entrainment occurring to water emanating from the central Greenland Sea. - Measure diapycnal mixing rates in the bottom and margins of the Greenland Sea basin using the SF6 signal observed there. Quantify the potential role of bottom boundary-layer mixing in the ventilation of the Greenland Sea Deep Water in absence of deep convection. Monitor the variability of the entrainment of water from the Greenland Sea using time series auto-sampler moorings at strategic positions i.e., sill of the Denmark Strait, Labrador Sea, Jan Mayen fracture zone and Fram Strait. Relate the observed variability of the tracer signal in the outflows to convection events in the Greenland Sea and local wind stress events. Obtain a better description of deepwater overflow and entrainment processes in the Denmark Strait and Faeroe Bank Channel overflows and use these to improve modelling of deepwater overflows. Monitor the tracer invasion into the North Atlantic using opportunistic SF6 measurements from other cruises: we anticipate that a number of oceanographic cruises will take place in the north-east Atlantic and the Labrador Sea. It should be possible to get samples from some cruises for SF6 measurements. Use process models to describe the spread of the tracer to achieve better parameterisation for three-dimensional models. One reason that these are so resistant to prediction is that our best ocean models are as yet some distance from being good enough, to predict climate and climate change.