Modeling key processes causing climate change and variability

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-697-784-6
Title: Modeling key processes causing climate change and variability
Author: Henriksson, Svante
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Ilmatieteen laitos
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Greenhouse gas warming, internal climate variability and aerosol climate effects are studied and the importance to understand these key processes and being able to separate their influence on the climate is discussed. Aerosol-climate model ECHAM5-HAM and the COSMOS millennium model consisting of atmospheric, ocean and carbon cycle and land-use models are applied and results compared to measurements. Topics at focus are climate sensitivity, quasiperiodic variability with a period of 50-80 years and variability at other timescales, climate effects due to aerosols over India and climate effects of northern hemisphere mid- and high-latitude volcanic eruptions. The main findings of this work are 1) pointing out the remaining challenges in reducing climate sensitivity uncertainty from observational evidence, 2) estimates for the amplitude of a 50-80 year quasiperiodic oscillation in global mean temperature ranging from 0.03 K to 0.17 K and for its phase progression as well as the synchronising effect of external forcing, 3) identifying a power law shape S(f) ∝ f−α for the spectrum of global mean temperature with α ∼ 0.8 between multidecadal and El Nino timescales with a smaller exponent in modelled climate without external forcing, 4) separating aerosol properties and climate effects in India by season and location 5) the more efficient dispersion of secondary sulfate aerosols than primary carbonaceous aerosols in the simulations, 6) an increase in monsoon rainfall in northern India due to aerosol light absorption and a probably larger decrease due to aerosol dimming effects and 7) an estimate of mean maximum cooling of 0.19 K due to larger northern hemisphere mid- and high-latitude volcanic eruptions. The results could be applied or useful in better isolating the human-caused climate change signal, in studying the processes further and in more detail, in decadal climate prediction, in model evaluation and in emission policy design in India and other Asian countries.Ilmastonmuutosta ja ilmastonvaihteluita tutkittiin erilaisilla ilmastomalleilla, päätyökalujen ollessa Max Planck Institutilla kehitetty aerosolimalli ja ilmastojärjestelmämalli, joita ajetaan supertietokoneilla. Aiheet liittyivät ilmaston lämpenemiseen kasvihuonekaasujen takia, ilmaston sisäiseen vaihteluun sekä pienhiukkasten ilmastovaikutuksiin. Väitöskirjan päätuloksia: 1) Ilmaston herkkyys, eli maapallon keskilämpötilan kohoaminen hiilidioksidipitoisuuden kaksinkertaistuessa, on edelleen epävarma suure ja etenkin suurten arvojen poissulkeminen on vaikeaa havaintojen perusteella. Tämän takia tietyllä hiilidioksidipitoisuudella ilmaston lämpeneminen on jollakin todennäköisyydellä parasta arviota huomattavasti voimakkaampaa, 2) Maapallon ilmasto näyttäisi mittausten ja mallikokeiden perusteella muuttuvan n. 65 vuoden (50-80) kvasisäännöllisissä heilahteluissa (muiden muutosten ja vaihteluiden lisäksi). Heilahtelun amplitudi on todennäköisesti n. 0,05-0,15 astetta maapallon keskilämpötilassa ja fysikaaliset syyt liittyvät valtamerten hitaaseen dynamiikkaan, 3) Käytetty ilmastojärjestelmämalli simuloi ilmastonvaihtelut mittauksiin verrattuna hyvin eri taajuuksilla noin 65 vuoden heilahteluista 3-7 vuoden El Nino -heilahteluihin, 4) Intian ja Kiinan pienhiukkasten jakaumat ajan, paikan, hiukkasen koon ja kemiallisen koostumuksen suhteen mallisimulaatioissa nykypäästöillä sekä eräitä tulevaisuusskenaarioita käyttäen, 5) Jos pienhiukkanen muodostuu kaasusta ilmakehässä, se näyttäisi ainakin Intiassa ja Kiinassa kulkeutuvan keskimäärin kauemmaksi lähdealueistaan kuin suoraan poltto- tai mekaanisissa prosesseissa syntyvät pienhiukkaset, 6) Pohjois-Intian monsuunisateet vähenevät mallisimulaatioiden perusteella pienhiukkasten valoa himmentävästä vaikutuksesta johtuen, vaikka valon absorptio lisää sitä, 7) Arviot tietynsuuruisten pohjoisen pallonpuoliskon keski- ja korkeiden leveysasteiden tulivuorenpurkausten keskimäärin aiheuttamille ilmastovaikutuksille, mm. maksimiviileneminen 0,19 astetta pallonpuoliskon keskilämpötilassa.Uppvärmning av klimatet p.g.a. växthusgaser, intern variabilitet av klimatet och klimateffekter av aerosoler studeras och vikten av att förstå och kunna kvantifiera dessa processer diskuteras. Aerosolklimatmodellen ECHAM5-HAM och COSMOS-milleniummodellen, som består av atmosfär-, ocean- och landsanvändnings- och kolkretsloppsmodeller, tillämpas och resultat jämförs med observationer. Ämnen som avhandlingen koncentrerar sig på är klimatkänsligheten, kvasiperiodisk variabilitet med en period på 50-80 år och variabilitet med andra tidsskalor, klimateffekter och egenskaper av aerosoler i Indien och klimateffekter av vulkanutbrott vid höga och medelhöga breddgrader av det norra halvklotet. De viktigaste upptäckterna i denna avhandling är 1) påvisandet av de återstående utmaningarna i att minska osäkerheten av klimatkänsligheten uppskattad från observationer, 2)uppskattningar av amplituden av en kvasi-periodisk 50-80 årig oskillation i den globala medeltemperaturen från 0,03 K till 0,17 K samt för dess fasutveckling och den synkroniserande effekten av yttre drivningar, 3) igenkännande av ett potenslagsformat spektrum S(f) ∝ f−α för den globala medeltemperaturen med α ∼ 0.8 mellan tidsskalor av flera decennier och El Nino -tidsskalor samt en mindre exponent i simulationer utan yttre drivning, 4)åtskiljning av aerosols egenskaper och klimateffekter i Indien på basen av plats och årstid, 5) en mera effektiv spridning av primära sulfataerosoler än sekundära kolaerosoler i simulationerna, 6) en ökning i monsunsnederbörden i Indien p.g.a. absorption av ljus av aerosoler och en sannolikt större minskning p.g.a. mattning av ljus av aerosoler och 7) en uppskattning på 0,19 K för den maximala kylningen p.g.a. större vulkanutbrott på höga och medelhöga breddgrader av det norra halvklotet. Resultaten kan vara nyttiga i isolering av klimatföränd-ringssignalen orsakad av människor, i noggrannare och mer detaljerade studier av processerna, i klimatprognoser med årtiondeskala, i värdering av modeller och som stöd för politisk beslutsfattning i samband med partikelutsläpp i Indien och andra länder.
URI: URN:ISBN:978-951-697-784-6
http://hdl.handle.net/10138/39306
Date: 2013-06-15
Subject: fysiikka
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
henriksson_dissertation.pdf 1.706Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record