Einblicke in die thermische Struktur der tropischen Troposphäre
Das Verständnis der Prozesse in der Troposphäre ist für Klimaprojektionen von zentraler Bedeutung. Die tropische Troposphäre ist von besonderem Interesse, a) an sich, weil sie einen großen Teil der Erde bedeckt, in dem derzeit etwa 40 % der Bevölkerung leben, und b) weil tropische Wetterphänomene wie El-Niño bekannt dafür sind, dass sie Wetter und Klima weltweit beeinflussen.
Die Theorie besagt, dass die durch Treibhausgase verursachte Erwärmung in der oberen tropischen Troposphäre stärker als in Bodennähe sein sollte. Seit mehr als zwei Jahrzehnten wird jedoch eine Debatte geführt über Diskrepanzen zwischen Klimamodellen und Beobachtungen bei der Darstellung dieses Klimasignals. Während die Modelle im Allgemeinen eine deutliche Verstärkung der Oberflächenerwärmung in der oberen Troposphäre zeigen, zeigten Analysen von Satellitenbeobachtungen dieses Signal schwächer oder gar nicht. In den letzten Jahren hat sich die Diskrepanz verringert, da die Erfassung des Temperatursignals von Satelliten verbessert wurde und in den Analysemethoden die natürliche Variabilität berücksichtigt wird (z. B. Santer et al., 2017). Dennoch bleiben Unsicherheiten bestehen, die auf noch immer erhebliche Lücken in unserem konzeptionellen Verständnis jener Prozesse zurückzuführen sind, die die Temperaturstruktur der tropischen freien Troposphäre steuern. In den letzten fünf Jahren waren diese Lücken ein Hauptschwerpunkt der Forschung innerhalb der Arbeitsgruppe Globale Zirkulation und Klima unter der Leitung von Dr. Hauke Schmidt als Beitrag zum Forschungsprogramm der Abteilung Klimaphysik. Hier fassen wir die Ergebnisse einer Reihe von Arbeiten zusammen, die von Jiawei Bao und Paul Keil geleitet wurden. Ihre Ergebnisse sind nicht nur im Zusammenhang mit den oben beschriebenen Kontroversen von Nutzen, sondern bringen das Fachgebiet im weiteren Sinne voran, da der vertikale Temperaturgradient der tropischen Troposphäre, die Rate, mit der sich die Temperatur mit der Höhe in der Atmosphäre ändert, viele Aspekte der globalen Zirkulation beeinflusst, z. B. die Stärke der Walker-Zirkulation und ihre Entwicklung unter Treibhausgasantrieb (Sohn et al. 2016), den atmosphärischen Feuchtigkeitsfluss in die Arktis (Lee et al. 2019) sowie die Intensität tropischer Zyklone (Trabing et al. 2019). Darüber hinaus hängen tropische Zirruswolken, ein wichtiger Faktor für die atmosphärische Energiebilanz, vom vertikalen Temperaturgradienten, und damit von der Stabilität, der oberen Troposphäre ab (Zelinka und Hartmann, 2010). Eine mögliche Änderung dieses Temperaturgradienten könnte entweder zu mehr oder weniger Wolken führen, was die globale Erwärmung dämpfen oder verstärken kann (Bony et al., 2016).
Zwei elementare Ideen beherrschen das Verständnis der Temperaturstruktur der tropischen freien Troposphäre: a) große horizontale Dichte- und damit auch Temperaturgradienten sind in der tropischen Troposphäre nicht aufrechtzuerhalten, und b) das vertikale Temperaturprofil folgt einer Feuchtadiabaten.
Eine Adiabate ist das Temperaturprofil, dem ein Luftpaket folgen würde, wenn es aufsteigt und sich in der Atmosphäre ausdehnt (oder absinkt und sich zusammenzieht), ohne dass von außen Energie zugeführt wird. Ein Luftpaket, das sich nach oben bewegt, dehnt sich aus, und die Arbeit, die es bei dieser Ausdehnung leistet, wird durch eine Verringerung seiner Enthalpie ausgeglichen, was als Reduktion seiner Temperatur gemessen werden kann. Wenn diese Abkühlung zur Sättigung des Wasserdampfs im Luftpaket und damit zur Kondensation führt, steht die durch die Kondensation gewonnene Energie (oder genauer gesagt Enthalpie) zur Verfügung, um zu dieser Arbeit beizutragen, was zu einer geringeren Temperaturreduktion führt. Das resultierende vertikale Temperaturprofil ist eine Feuchtadiabate.
Es ist jedoch wenig über die Grenzen dieser Paradigmen bekannt und darüber, wie sie sich auf die Temperaturentwicklung der freien tropischen Troposphäre bei globaler Erwärmung auswirken.
In den folgenden Abschnitten geben wir zunächst einen Überblick über diese grundlegenden Ideen und stellen dann dar, was wir aus Studien mit Modellen unterschiedlicher Komplexität über ihre Grenzen gelernt haben. In den letzten drei Abschnitten werden Änderungen des vertikalen Temperaturprofils bei globaler Erwärmung, ihre Bedeutung für den Klimawandel an der Oberfläche und horizontale Muster künftiger Temperaturänderungen erörtert.
Schwache Temperaturgradienten und Feuchtadiabaten - eine kurze Einführung in die Temperatur der tropischen Troposphäre
Die erste elementare Überlegung zur Temperaturstruktur der freien tropischen Troposphäre beruht auf der Schwäche der Corioliskraft in den Tropen. Dies unterscheidet die Dynamik dieser Region von derjenigen der Extratropen, wo die großräumige Zirkulation weitgehend geostrophisch ist (die Druckkräfte werden durch die Corioliskraft ausgeglichen). Ohne eine solche wesentliche ausgleichende Kraft, wie in den Tropen, ist es schwierig, große Änderungen im Massenfeld, die durch Erwärmung entstehen, durch Änderungen der Zirkulation auszugleichen. Stattdessen homogenisieren Schwerewellen die Masse und effektiv die Temperatur in der tropischen freien Troposphäre (Charney 1963; Bretherton und Smolarkiewicz 1989). Die horizontal relativ homogene Temperatur ist die Grundlage für die Annahme schwacher Temperaturgradienten (WTG, „weak temperature gradient“, Sobel und Bretherton 2000), die sich als nützliche Näherung für die Analyse der tropischen Dynamik erwiesen hat.
Die zweite Überlegung ist, dass in Regionen mit konvektiven Aufwinden das vertikale Temperaturprofil durch eine Feuchtadiabate definiert ist. Aus dem Paradigma der horizontalen Homogenität folgt, dass das Temperaturprofil auch in tropischen Regionen abseits von konvektiven Aufwinden in erster Näherung durch eine Feuchtadiabate definiert sein sollte. Und tatsächlich beschreiben Feuchtadiabaten die Temperaturabnahme mit der Höhe, die in der tropischen Troposphäre mehr als 100 K beträgt, auf wenige Grad Kelvin genau. Es ist jedoch bekannt, dass dieses Bild sehr idealisiert ist. Erstens sollte auch nach dieser Theorie nicht die Temperatur, sondern die Dichte horizontal homogenisiert werden. Da feuchte Luft leichter ist als trockene Luft, müssten feuchte Regionen kälter sein als trockene, um die gleiche Dichte zu haben. Eine weitere Quelle der Unsicherheit sind die mikrophysikalischen Prozesse während des Aufstiegs, die zu Unklarheiten bei der Definition der Feuchtadiabaten führen. Verschiedene Feuchtadiabaten, für die unterschiedliche Annahmen gemacht werden, sind in Abb. 1 dargestellt. Für eine feuchte Pseudoadiabate geht man davon aus, dass das gesamte Kondensat sofort entweicht, für eine reversible Adiabate davon, dass das gesamte Kondensat im Luftpaket verbleibt. Dies wirkt sich auf die Wärmekapazität des aufsteigenden Luftpakets aus und macht in der oberen Troposphäre einen Unterschied von mehreren Grad Kelvin aus. Das Gefrieren des Kondensats oberhalb des Gefrierpunkts kompensiert ebenfalls einen Teil der Abkühlung die aus der Ausdehnung eines Luftpakets beim Aufsteigen resultiert. Und schließlich würde sich in der Praxis ein feuchtes, aufsteigendes Luftpaket mit der umgebenden trockeneren Luft vermischen, ein Prozess, der als Entrainment bezeichnet wird, wodurch die Abkühlung mit der Höhe zunehmen würde. Abb. 1 zeigt auch, wie die vertikalen Temperaturprofile typischer Klimamodelle, Radiosonden, Reanalysedaten und idealisierter Feuchtadiabaten voneinander abweichen. In den folgenden Abschnitten werden wir unter anderem diskutieren, was zu diesen Unterschieden beitragen könnte.
Abweichungen von einer horizontal homogenen Temperaturstruktur in sturmauflösenden Modellen und Reanalysedaten
Die Ursachen für die Streuung der Temperaturprofile in den Modellen (Abb. 1) sind nicht leicht zu identifizieren. Allerdings lösen diese Modelle die globale Atmosphäre im Allgemeinen mit einem horizontalen Gitterabstand in der Größenordnung von 100 km oder mehr auf. Die Wolken tropischer Stürme sind das Zeichen konvektiver Aufwinde, die für den Großteil des vertikalen Energietransports in den Tropen verantwortlich sind und, wie oben beschrieben, ein Schlüsselelement für das Verständnis der tropischen Temperaturstruktur darstellen. Offensichtlich findet dieser Prozess auf kleineren räumlichen Skalen statt, als sie von typischen globalen Modellen aufgelöst werden, und seine Auswirkungen müssen parametrisiert werden. Keil et al. (2021) haben gezeigt, dass die Streuung der modellierten Temperaturprofile verschiedener Modelle durch ein einziges Modell gut reproduziert werden kann, in dem ein Parameter variiert wird, der den oben beschriebenen Entrainment-Prozess charakterisiert. Dies zeigt, dass Modelle mit parametrisierter Konvektion nur von begrenztem Nutzen für das Verständnis der Temperaturstruktur der tropischen Troposphäre sind.
Globale sturmauflösende Modelle, wie ICON in seiner Sapphire-Konfiguration (Hohenegger et al., 2023), stellen die Konvektion nach den Bewegungsgleichungen dar und benötigen keine Parametrisierung dieses Prozesses. Bao und Stevens (2021) haben ICON in einer Konfiguration mit 2,5 km horizontalem Gitterabstand verwendet, um neue Erkenntnisse über die Abhängigkeit der Homogenität der tropischen Temperatur von der Höhe zu gewinnen. Abb. 2 zeigt, dass die tropische Temperaturverteilung in der mittleren Troposphäre wesentlich homogener ist als in der oberen Troposphäre. Die maximale Anomalie zwischen dem westlichen und östlichen Pazifik beträgt über 3,5 K bei 300 hPa, aber nur etwa 1,5 K bei 600 hPa. Dieser Homogenitätsunterschied ist sogar noch ausgeprägter, wenn die Dichte-Temperatur, Tr, berücksichtigt wird, die für die tatsächlichen Dichteunterschiede repräsentativer ist, da sie die relative Leichtigkeit der feuchten Luft berücksichtigt. Der Unterschied zwischen den Höhenlagen deutet darauf hin, dass die Homogenisierung durch Schwerewellen in der oberen Troposphäre weniger wirksam ist. Bao und Stevens (2021) vermuten, dass dies auf die Seltenheit sehr energiereicher tiefer Konvektion und eine Begrenzung des Einflusses einzelner konvektiver Ereignisse auf die nähere Umgebung der Konvektion zurückzuführen ist. Abbildung 2 zeigt auch, dass feuchtere Gebiete im Allgemeinen dazu neigen, wärmer zu sein, und zwar aus Gründen, die nicht rein thermodynamisch zu erklären sind. Zwei weitere Studien, die im Folgenden beschrieben werden, haben Aufschluss über die Ursachen der Inhomogenitäten und der spezifischen horizontalen Temperaturmuster gegeben.
Über die in Abb. 2 sichtbaren relativ großräumigen Muster hinaus enthüllt die Analyse der ICON-Simulationen, dass die extrem feuchten Regionen, die die Regionen der stärksten Aufwinde sind, viel wärmer sind als das tropische Mittel. Bereits bei 600 hPa haben z.B. die 0.1 % feuchtesten tropischen Regionen eine um mehr als 1K höhere Dichte-Temperatur als das tropische Mittel. Dies zeigt, dass die tropische Mitteltemperatur nicht durch die wenigen stärksten Aufwinde bestimmt wird, sondern durch die Masse der Aufwinde, die auch bei etwas geringerem Feuchtegehalt auftreten. Die Analyse der vertikalen Struktur zeigt, dass das Temperaturprofil in den feuchtesten Regionen unterhalb der Null-Grad-Höhe nahe an einer reversiblen Feuchtdiabaten und darüber nahe an einer Pseudoadiabaten liegt.
Die Arbeit von Bao und Stevens (2021) hat gezeigt, dass schwache horizontale Temperatur- und Dichteinhomogenitäten in kilometerskaligen Simulationen der Tropen mit ICON existieren können und dass sie mit der Verteilung der Feuchtigkeit zusammenhängen. Es bleibt jedoch offen, wie groß die Inhomogenitäten in der realen Atmosphäre sind und wodurch sie aufrechterhalten werden. Um diese Fragen zu beantworten, analysierten Bao et al. (2022) Reanalysedaten, d. h. den Zustand eines Wettervorhersagemodells, das an Beobachtungen angenähert wird, und das wohl die beste verfügbare Darstellung des realen atmosphärischen Zustands bietet. In mehrjährigen Mittelwerten weichen die Temperaturen in 500 hPa über dem Äquator nirgendwo um mehr als 1 K vom zonalen Mittel ab. In Extremfällen können die monatlichen Temperaturunterschiede zwischen dem westlichen und dem zentralen äquatorialen Pazifik bis zu 4 K erreichen. Noch wichtiger ist, dass die Analyse von Bao et al. (2022) ein für die Tropen relevantes dynamisches Gleichgewicht aufzeigt, das diese Temperaturanomalien aufrechterhält. Die mit den tropischen Temperaturmustern verbundenen Druckgradienten werden hauptsächlich durch die nichtlinearen Terme in der Impulsgleichung ausgeglichen, insbesondere durch zonale Windadvektion, die in der geostrophischen Sichtweise ignoriert wird.
Die Darstellung der vertikalen Struktur beeinflusst deren Veränderung bei Erwärmung
Aus der Annahme, dass das tropische vertikale Temperaturprofil nahe an einer Feuchtdiabaten liegt, folgt, dass sich die tropische Troposphäre in ihrem oberen Teil stärker erwärmen sollte als weiter unten. Die Verstärkung der Erwärmung der oberen tropischen Troposphäre durch Modelle ist im Allgemeinen stärker als beobachtet. Der Grund dafür ist noch strittig. Wie bereits erwähnt, haben Keil et al. (2021) den Einfluss der Parametereinstellungen für das Entrainment in Regionen starker Aufwinde auf die in klassischen atmosphärischen Zirkulationsmodellen simulierten Temperaturprofile und auf die Änderung dieser Profile bei Erwärmung untersucht. Zum Vergleich wurden keine Satellitenbeobachtungen herangezogen, wie dies in vielen anderen Studien der Fall ist, sondern verschiedene Radiosondendaten. Abb. 3 zeigt, dass im Allgemeinen auch die Analysen der Radiosondendaten, obwohl sie selbst eine große Streuung aufweisen, eine schwächere Verstärkung zeigen als die Modelle. Durch Variation des Entrainment-Parameters in einem einzigen Modell (ICON) können Keil et al. (2021) eine Streuung der Verstärkungswerte erzeugen, die der Streuung des Multi-Modell-CMIP6-Ensembles ähnlich ist. Simulationen mit stärkerem Eintrag zeigen eine schwächere Verstärkung, da die Verstärkung entscheidend von dem zusätzlichen Wasserdampf in einer wärmeren Atmosphäre abhängt und das Entrainment den verfügbaren Wasserdampf im Paket reduziert. In einer Studie von Romps (2010) wurde bereits vermutet, dass dieses Entrainment in Modellen oft unterschätzt wird. Die Ergebnisse von Keil et al. (2021) legen nahe, dass dies zu der Diskrepanz zwischen Modellen und Beobachtungen beitragen könnte. Abb. 3 zeigt auch, dass alle idealisierten Feuchtadiabaten, die den Prozess des Entrainments ignorieren, eine größere Verstärkung aufweisen als die mit Klimamodellen beobachteten und simulierten Feuchtadiabaten.
Die Darstellung des tropischen vertikalen Temperaturprofils ist wichtig für die Simulation der Gleichgewichts-Klimasensitivität
Oben wurde erörtert, dass das Entrainment von Wasserdampf zur Abweichung des tropischen Temperaturprofils von einer feuchten Pseudoadiabaten beiträgt und dass unterschiedliche Darstellungen des Entrainments in Klimamodellen auch die Änderung des Temperaturprofils bei der globalen Erwärmung beeinflussen. Das Temperaturprofil der Atmosphäre ist jedoch auch für die Erwärmung selbst von Bedeutung, da sie die Verteilung des Wasserdampfs mit der Temperatur und damit die Wärmeabgabe an den Weltraum beeinflusst. Dies wirkt dann als Rückkopplung auf die Oberflächenerwärmung. Das Vorzeichen und die Stärke dieser Rückkopplung sind ungewiss. Um diese Rückkopplung besser zu quantifizieren und die Prozesse, die sie bestimmen, zu identifizieren, haben Bao et al. (2021) Erwärmungssimulationen mit dem eindimensionalen Strahlungs-Konvektions-Gleichgewichtsmodell "Konrad" durchgeführt, das an unserem Institut im Rahmen von zwei Doktorarbeiten entwickelt wurde (Kluft et al., 2021, Dacie et al., 2021). Die Verwendung solcher stark idealisierten Werkzeuge in Ergänzung zu umfassenderen dreidimensionalen Modellen ist oft nützlich, da die Interpretation ihrer Ergebnisse einfacher ist und das Verhalten komplexer Modelle oder Beobachtungen im Idealfall auf wenige elementare Prozesse zurückgeführt werden kann. Abb. 4 zeigt die mit Konrad simulierte Oberflächentemperatur für verschiedene atmosphärische CO2-Konzentrationen und verschiedene Temperaturprofile, die auf verschiedenen Annahmen zur Stärke des Entrainments beruhen. Natürlich steigt die Temperatur mit CO2, aber auch mit stärkerem Entrainment. Dieses bewirkt eine stärkere Temperaturerhöhung durch eine CO2-Verdoppelung, d. h. eine höhere Gleichgewichts-Klimasensitivität, was darauf hinweist, dass ein stärkeres Entrainment durch seinen Einfluss auf die Verteilung der Feuchtigkeit in der oberen Troposphäre als positive Rückkopplung wirkt. Aus der Größenordnung dieses Effekts, der aus den idealisierten Simulationen abgeleitet wurde, schätzen Bao et al. (2021), dass die Unterschiede der Temperaturprofile in den CMIP-Modellen zu Unterschieden der Klimasensitivität bei klarem Himmel von 0,2 bis 0,3 K beitragen könnte.
Die künftige Erwärmung der oberen tropischen Troposphäre wird nicht zonal homogen sein
Die Arbeiten von Bao und Stevens (2021) und Bao et al. (2022) haben die bestehenden Temperatur- und Dichteinhomogenitäten in der tropischen freien Troposphäre quantifiziert und erklärt. Je nach Höhe hängen sie mit der Feuchtigkeitsverteilung zusammen und werden durch ein dynamisches Gleichgewicht aufrechterhalten, das sich vom geostrophischen Gleichgewicht unterscheidet. Es ist auch klar, dass die mittlere Erwärmung der oberen Troposphäre in den Tropen im Vergleich zur Erwärmung der unteren Troposphäre verstärkt wird, auch wenn das Ausmaß der Verstärkung umstritten bleibt (Keil et al., 2021). Wie würde sich die Erwärmung in der oberen Troposphäre verteilen? Homogen? Um diese Frage zu beantworten, analysierten Keil et al. (2023) CMIP- und sturmauflösende ICON-Modellsimulationen. Beide zeigen eine relativ inhomogene Erwärmung der oberen Troposphäre. Bei einer homogenen Erwärmung der Meeresoberflächentemperaturen um 4 K, z.B., simuliert das ICON-Modell eine Erwärmung bei 300 hPa in den Tropen, die sich regional um bis zu 2 K unterscheidet. Keil et al. (2023) verwendeten die Matsuno-Webster-Gill-Theorie (Matsuno 1966, Webster 1972, Gill, 1980), eine sehr vereinfachte Variante der Gleichungen, die die tropische Zirkulation beschreiben, um zu zeigen, dass das Erwärmungsmuster gut reproduziert werden kann, wenn nur die Änderungen der Kondensationserwärmungsraten, die sich aus den Niederschlagsänderungen unter der Erwärmung ergeben, zur Steuerung des Modells verwendet werden. Leider zeigen die aktuellen Modelle eine relativ große Streuung bei der Simulation der Verteilung des tropischen Niederschlags (Fiedler et al., 2020) und seiner zukünftigen Entwicklung. Das Erwärmungsmuster der oberen Troposphäre unter dem Klimawandel kann daher nur dann zuverlässiger simuliert werden, wenn die Simulationen der Niederschlagsänderung zuverlässiger werden. Ein zuverlässiges Erwärmungsmuster der oberen Troposphäre würde auch dazu beitragen, die mit Radiosonden gemessene Verstärkung der Erwärmung der oberen Troposphäre besser einzugrenzen. Da tropische Sondierungen spärlich sind und man nicht davon ausgehen kann, dass das Erwärmungsmuster homogen ist, ist es nicht einfach abzuschätzen, wie repräsentativ einzelne Beobachtungen für den tropischen Mittelwert sind.
Zusammenfassung und Ausblick
Trotz der oben beschriebenen Fortschritte bleiben Wissenslücken bezüglich thermischer Struktur der tropischen Troposphäre und damit unser Interesse an dieser Region der Erdatmosphäre bestehen. Die Diskrepanz zwischen Beobachtungen und Simulationen bezüglich der Verstärkung der Oberflächenerwärmung in der oberen tropischen Troposphäre hat sich in den letzten Jahren verringert, aber die verbleibenden Unterschiede sind nicht unerheblich und verdienen eine Erklärung. Die Arbeit von Keil et al. (2021) unterstreicht, dass das Tuning klassischer atmosphärischer Modelle und insbesondere deren Behandlung tropischer Konvektion einen starken Einfluss auf die simulierte Verstärkung hat. Ein Ausweg ist die Verwendung von Modellen mit einer horizontalen Auflösung im Kilometerbereich, wie die Sapphire-Konfiguration von ICON, die eine Parametrisierung der Konvektion überflüssig macht und diesen Prozess stattdessen auf der Grundlage physikalischer Gesetze simuliert. Mit diesem Instrument können wir uns in Zukunft darauf konzentrieren, die Rolle anderer Prozesse wie der Wolkenmikrophysik und der mesoskaligen Zirkulationen zu verstehen, von denen bekannt ist, dass sie ebenfalls mit der thermischen Struktur der Atmosphäre interagieren. Bao und Stevens (2021) zeigten, dass die Sapphire-Konfiguration von ICON gut geeignet ist, um die Abweichungen der tropischen Troposphärentemperatur von der horizontalen Homogenität zu simulieren und zu verstehen. Die Analyse von Bao et al. (2022) ergab ein dynamisches Gleichgewicht, das diese Inhomogenitäten aufrechterhält. Keil et al. (2023) zeigten, dass ihre zukünftige Entwicklung von der Entwicklung der tropischen Niederschlagsmuster abhängt. Die Herausforderung, die tropische Hydrologie besser zu verstehen, motiviert eine umfangreiche Feldkampagne, ORCESTRA, im tropischen Atlantik. ORCESTRA wurde von Wissenschaftlern der Abteilung Klimaphysik initiiert und wird von ihnen gemeinsam mit internationalen Kollegen koordiniert. ORCESTRA wird wichtige Daten in wenig beprobten Regionen sammeln, um zu einem besseren Verständnis der Prozesse beizutragen, die die Struktur der tropischen Troposphäre regulieren.
Publikationen
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Kontakt
Dr. Hauke Schmidt
Max-Planck-Institut für Meteorologie
hauke.schmidt@mpimet.mpg.de
Prof. Dr. Bjorn Stevens
Max-Planck-Institut für Meteorologie
bjorn.stevens@mpimet.mpg.de
Dr. Jiawei Bao
Jetzt: Institute of Science and Technology Austria (ISTA)
jiawei.bao@ist.ac.at
Dr. Paul Keil
Jetzt: Deutsches Klimarechenzentrum (DKRZ)
keil@dkrz.de