Untersuchung der solar induzierten Klimavariabilität in Klima-Chemie Modellsimulationen

• Antragsteller: Dr. Markus Kunze
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 396706928

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Sonnenvariabilität auf verschiedenen Zeitskalen beeinflusst die Atmosphäre von ihren obersten Schichten, der Thermosphäre/Ionosphäre, bis zur Erdoberfläche. Die Untersuchung des Einflusses der Sonnenvariabilität mit dem 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus auf die Mesos– phäre/Stratosphäre und das Oberflächenklima im Datensatz der Klima-Chemie-Modelle (CCMs) der CCM Initiative 1 (CCMI-1) ist Gegenstand dieses Projekts. Der Einfluss der 11-jährigen Variabilität der Sonneneinstrahlung in der Mesosphäre und Stratosphäre ruft ein direktes Signal hervor, mit einer Erwärmung durch die Absorption ultravioletter (UV) Sonneneinstrahlung durch molekularen Sauerstoff und Ozon, und einer intensiveren Ozonproduktion mit zunehmender Sonnenaktivität. Die Modellierung der Abwärtsausbreitung des solaren Signals bis zur Erdoberfläche bleibt jedoch eine Herausforderung. Beobachtungsdaten zeigen einen deutlichen Einfluss auf die Nordatlantische Oszillation (NAO) während der Wintersaison der Nordhemisphäre, mit einer Tendenz zu einem positiveren NAO-Index im Maximum des Sonnenfleckenzyklus. Der größte Sonneneinfluss auf das NAO-Muster wird mit einer Verzögerung von drei bis vier Jahren nach dem solaren Maximum beobachtet. Dieses Projekt kann die Hypothese des „Top-Down“-Mechanismus, der die solarinduzierte Erhöhung der Temperatur und des Ozons in der oberen Stratosphäre/unteren Mesosphäre mit der Oberfläche verknüpft, nur für Reanalysedaten unterstützen. Die Reanalysen (EZMW ERA-20C und CERA-20C) zeigen ein maximales Signal mit einer Verzögerung von drei bis vier Jahren. CCMI-1-Modelle zeigen keinen konsistenten „Top-Down“-Mechanismus, und die Analysen unterstützten keine Zeitverschiebung des solaren Signals um mehrere Jahre. Der Grund könnte die relativ geringe horizontale Auflösung der meisten aktuellen CCMs sein, die keine ausreichende Modellierung der relevanten Prozesse ermöglicht, die für die Verbindung des solaren Signals in der mittleren Atmosphäre mit der Erdoberfläche, und die Verzögerung des maximalen solaren Signals um mehrere Jahre nach dem Höhepunkt der Sonnenaktivität, erforderlich sind. Frühere Modellierungsstudien, die die Verzögerung in der Oberflächenreaktion zeigen, haben gekoppelte Klimamodelle mit einer höheren horizontalen Auflösung der Atmosphäre und des Ozeans verwendet. Die Autoren argumentieren mit einem ozeanischen Gedächtniseffekt, der das Signal von der höchsten Sonnenintensität in Richtung des folgenden Sonnenminimums überträgt, der möglicherweise nicht durch die CCMI-1 CCMs mit gröberer Auflösung modelliert werden kann. Gleichfalls verwenden diese Modellierungsstudien eine vom SIM-Instrument adaptierte Amplitude der Sonneneinstrahlung, die mittlerweile als zu groß erkannt wurde. Zukünftige CCMI-Simulationen sollten mit einer höheren horizontalen Auflösung der Atmosphäre und des Ozeans erfolgen, was dazu beitragen könnte die realistische Übertragung des solaren Signals bis zur Oberfläche zu modellieren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Solar induced climate variability in CCMI simulations, 9th Annual EMAC Symposium, Jülich, July 2nd –4th 2019
  Kunze, Markus & Langematz, Ulrike
  
• Working Group 1 – Stratospheric Signal, SOLARIS-HEPPA Working Group Meeting, Granada, September 18th –19th 2019
  Kunze, Markus & Chiodo, Gabriel
  
• Quantifying uncertainties of climate signals in chemistry climate models related to the 11-year solar cycle – Part 1: Annual mean response in heating rates, temperature, and ozone. Atmospheric Chemistry and Physics, 20(11), 6991-7019.
  Kunze, Markus; Kruschke, Tim; Langematz, Ulrike; Sinnhuber, Miriam; Reddmann, Thomas & Matthes, Katja
  
• The response of mesospheric H2O and CO to solar irradiance variability in models and observations. Atmospheric Chemistry and Physics, 21(1), 201-216.
  Karagodin-Doyennel, Arseniy; Rozanov, Eugene; Kuchar, Ales; Ball, William; Arsenovic, Pavle; Remsberg, Ellis; Jöckel, Patrick; Kunze, Markus; Plummer, David A.; Stenke, Andrea; Marsh, Daniel; Kinnison, Doug & Peter, Thomas
  
• What is the minimum spectral resolution to model the 11-year solar cycle response in global models?, 10th Annual EMAC Symposium, Online-Zoom- Meeting, May 31st –June 2nd 2021
  Kunze, Markus & Langematz, Ulrike