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Institut für Physik der Atmosphäre Ensemble Climate-Chemistry simulations for the past 40 years...

Date post: 28-Mar-2015
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Institut für Physik der Atmosphäre Ensemble Climate-Chemistry simulations for the past 40 years Volker Grewe and the DLR/MPI Team Institut für Physik der Atmophäre DLR-Oberpfaffenhofen Germany [email protected] Martin Dameris, Veronika Eyring, Fabian Mager, Michael Ponater, Tina Schnadt, Andrea Stenke - DLR Oberpfaffenhofen Benedikt Steil, Christoph Brühl, Patrick Jöckel - MPI- Mainz Marco Giorgetta, Claudia Timmreck, MPI-Hamburg
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Page 1: Institut für Physik der Atmosphäre Ensemble Climate-Chemistry simulations for the past 40 years Volker Grewe and the DLR/MPI Team Institut für Physik der.

Institut für

Physik der Atmosphäre

Ensemble Climate-Chemistry simulations for the past 40 years

Volker Grewe and the DLR/MPI Team

Institut für Physik der AtmophäreDLR-Oberpfaffenhofen

[email protected]

Martin Dameris, Veronika Eyring, Fabian Mager, Michael Ponater, Tina Schnadt, Andrea Stenke - DLR Oberpfaffenhofen

Benedikt Steil, Christoph Brühl, Patrick Jöckel - MPI- Mainz

Marco Giorgetta, Claudia Timmreck, MPI-Hamburg

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ECHAM4.L39(DLR) = E39 Atmosphere circulation model

Global spectral model with semi-Lagrangian advection of water vapour,

cloud water and tracers

Resolution: T30, 39 layers, top layer centered at 10 hPa (30 km)

Parameterizations of radiation, clouds, precipitation, convection, diffusion

CHEM = C Chemistry-Module (family concept)

Transported species: H2O, CH4, N2O, HCl, H2O2, CO, CH3O2H, ClONO2,

HNO3+NAT, ICE, ClOx, NOX, OX

37 species and 107 gas-phase reaction

Methane oxidation, PSC formation, 4 heterogeneous reactions on PSCs

Parameterization of dry/wet deposition, lightning and surface emissions

Interactively coupled at every timestep

E39/C Climate-Chemistry Model

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Coupling of Dyamics and Chemsitry in E39/C

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Simulation of the Earth‘s atmosphere from 1960 to 2000

Simulation is based on climate chemistry model E39/C with additional forcings:

• Emissions of NOx, CO, CO2, N2O, CH4, CFCs, as observed or estimatd by

IPCC

• QBO nudged in tropical stratosphere

• Volcanoes regarded (Agung, El Chichon, Pinatubo) for chemistry and

radiation

• Observed sea surface temperatures (Hadley-GISS)

• 11 year solar cycle

• No other forcing, free running climate chemistry model

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Total Ozone [DU]

• High variability > than in time-slices • Solar cycle in tropics

• Ozone hole starts 80s

• Global ozone -15 DU

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Tropospheric ozone column (DU)

• High variability

• Global increase: 4 DU

• Small effects on SH

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Simulated evolution of cloud to ground lightning 1960 to 2000

El Nino events

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Ensemble 50 hPa temperature

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Ensemble total ozone

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Ensemble tropospheric total ozone

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Lightning

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Summary

• CCM/CTM Models are ready for transient simulations• ACCENT modelling acitivity: Ensemble simulations

Capability of models (-> Comparison to measurements) Attribution perhaps possible?

TemperatureTropospheric Ozone Column ?

BUT

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Fully coupled CCM simulations require additional diagnostics in orderto separate various effects.

E.g. NOx and ozone tagging diagnostics

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Approach: Tagging of NOy and ozone molecules

1st step: For each source i=1, ... , n (n=8) define a NOy tracer (Xi)2nd step: For each NOy tracer define an ozone tracer (Yi)

and an ozone tracer (Yn+1) for ozone production by O2 photolysis

photolysis Oby causedion concentrat O

8)n1,..,(i iemission by

causedion concentrat O and NO ,NO

loss Ozone ,photolysis Oby and

NOby production Ozone loss, NO ,

i sourceby NO ofEmission

O and NO ,NO Simulated ,,

231

3xy i

2

2y

x

3xy

n

ii

spnps

i

Y

, Y, xX

Y,Y, YX

E

YxX

Y

YYY

dt

dYY

YY

X

XY

Y

YY

x

xY

dt

dYX

XXE

dt

dX

nsp

n

is

inp

is

inp

i

isi

i

11

Attribution of ozone increase to NOx emissions

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Tropical past ozone changes 30S-30N20

0-50

0 h

Pa

500-

1000

hP

aOzone tracer mass

• Lightning most important

source for tropical ozone

• In UT: stratospheric

intrusions also important

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Interannual variability in the tropics

• Solar cycle effects stratospheric ozone

leading to weak UT ozone variations (5%)

• Stratospheric O3 and lightning important

for inter-annual variations

• Industry and land transportation

responsible for trends

Upper troposphere

Lower troposphere


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