The effects of greenhouse-gas and surface thermal forcing on the stratosphere

This thesis is concerned with the possible future changes in the stratosphere as a result of climate change. In this context, the climate change forcing can be separated into two components: (i) radiative forcing due to a doubling of the atmospheric CO2 mixing ratio, and (ii) surface thermal forcing. My focus is on the response in the circulation of the Northern Hemisphere stratosphere in winter. All experiments are carried out with a chemistry-climate model (CCM, i.e. an atmospheric general circulation model coupled to a chemistry model), the IGCM-FASTOC, and all results shown are averages over 100-year or 50-year simulations in timeslice mode (i.e. every year can be considered as one member of an ensemble having 50 or 100 members). This allows statistically robustresults in a region of high variability in the temperature and wind fields.When the IGCM-FASTOC is coupled to a mixed-layer slab ocean, the Arctic lower stratosphere in winter warms by up to 4K under 2xCO2 conditions, with associated weakening of the polar vortex and enhancement of the Brewer-Dobson circulation (BDC). This change is related to a significant increase in the Rossby wave forcing near the vortex core starting in January, followed by anincreased wave forcing at the lower edge of the polar vortex in February. Maximum wave forcing is found both to begin earlier in the winter and to be distributed over a longer period of time in the 2xCO2 climate. Results from four additional pairs of simulations (control and 2xCO2), in which sea and/or land surface temperatures were either calculated interactively, prescribed as a climatological cycle, or prescribed as interannually varying monthly-mean fields, demonstrate that the interannual variability in sea and land temperatures, and the adjustment of oceans and lands to the atmosphere and to one another, are essential in order to maintain realistic stratospheric forcing by Rossby waves and to adequately capture the stratospheric response to global warming. Specifically, when the land is interactive but the slab ocean is replaced by prescribed interannually varying monthly-mean temperatures, the stratospheric response is qualitatively similar to the fully interactive case, but has lower amplitude and is statistically significant over a smaller area.In the experiment without interannual variability, there is no response in stratospheric dynamics.To assess the impact of surface temperatures on the stratospheric circulation, a separate suite of experiments was carried out in which a 2K temperature anomaly was added to the control surface temperature at all gridpoints within latitudinal windows of 10 or 30 degrees. Thermal surface forcing applied anywhere equatorwards of 20N, or continuously from the equator to 30N, increases the generation of planetary waves in the troposphere, resulting in increased upward propagation. Consequently, a greater flux of wave activity enters the mid- to high latitude stratosphere and breaks in the polar vortex,increasing the BDC and leading to a warm anomaly in the polar stratosphere. Ozone concentration increases at high latitudes and decreases at low latitudes. Thermal surface forcing imposed between 30N and 60N has the reverse effect and leads to a stronger and colder vortex. Thermal forcing applied polewards of 60N has little effect on tropospheric baroclinicity, but results in a sufficientdecrease of the vertical flux of planetary wave activity that the vortex becomes anomalously strong and cold. In all cases when surface forcing is imposed only polewards of 30N, the ozone concentration decreases at high latitudes but is not affected at low latitudes. Combining the forcing in an equatorial and a mid-latitude band leads to a response similar to that of the equatorial forcing, demonstrating that the subtropical surface temperature changes dominate the sign of the surface-driven response in the vortex.Cette thèse étudie les possibles futurs changements dans la stratosphère dus au forçage par les changements climatiques. Dans ce contexte, les changements climatiques peuvent être séparés en deux composantes: (i) le forçage radiatif dû à un doublage de la concentration de CO2 dans l'atmosphère et (ii) le forçage thermique à la surface. L'emphase est mise sur la réponse dans lacirculation de l'Hémisphère nord en hiver. Toutes les expériences sont réalisées au moyen d'un modèle climat-chimie (un modèle de la circulation générale de l'atmosphère couplé à un modèle de chimie), le IGCM-FASTOC, et les résultats présentés sont les moyennes sur 100 ou 50 ans de simulations en mode répété (ou stationnaire, i.e. chaque année peut être considérée comme un membred'un ensemble ayant 100 ou 50 membres). Ceci permet d'aboutir à des résultats qui sont statistiquement significatifs dans une région où la température et les vents sont hautement variables.Lorsque le IGCM-FASTOC est couplé à un océan homogène de 25m de profondeur et que les températures de surface sont calculées de façon interactive, la réponse dans la basse stratosphère de l'Arctique à un doublage de CO2 est un réchauffement de 4K, accompagné d'un affaiblissement du vortex polaire et d'une augmentation de la circulation Brewer-Dobson (CBD). Ces changements sont reliés à une importante augmentation du flux vertical d'ondes Rossby, qui décélèrent le centre du vortex dès le mois de janvier, puis son bord inférieur en février. Le forçage maximal du vortex par les ondes débute plus tôt dans la saison hivernale et dure pour une plus grande période de temps dans le climat 2xCO2. Quatre paires de simulations supplémentaires (contrôle et 2xCO2) ontété réalisées, dans lesquelles les températures à la surface de l'océan et/ou de la terre étaient soit calculées de manière interactive, soit prescrites comme cycle climatologique fixe ou ayant une variabilité interannuelle. Ces expériences démontrent que la variabilité interannuelle, tout comme les ajustements des températures de surface à l'atmosphère ou des températures de la terre à celle des océans, sont essentielles pour maintenir un forçage réaliste du vortex par les ondes Rossby et donc pour capturer la réponse auxchangements climatiques de façon adéquate. Quand la surface terrestre est interactive mais l'océan couplé est remplacé par des températures imposées qui varient à l'échelle interannuelle, la réponse dans la stratosphère est qualitativement semblable à celle de l'expérience ayant l'océan interactif; par contre, cette réponse a une amplitude inférieure en plus d'être statistiquement significative sur une région moins importante. Les expériences sans variabilité interannuelle ne montrent aucun changement de la circulationdans la stratosphère.Pour évaluer l'importance du rôle de la température de surface dans la circulation stratosphérique, j'ai entrepris une nouvelle série d'expériences dans lesquelles une anomalie thermique de 2K est imposée à tous les points de grille à l'intérieur de bandes zonales larges de 10 ou de 30 degrés de latitude. Lorsque le forçage thermique est imposé à la surface entre 0N et 20N, ou de façon continue entre 0N et 30N, un plus grand flux d'activité ondulatoire accède à la stratosphère dans les moyennes et hautes latitudes. Les ondes se cassent dans le vortex, menant à une augmentation de la CBD et à une anomalie positive dans température de la stratosphère polaire. Un forçage thermique imposé à la surface entre 30N et 60N donne le résultat inverse, soit un vortex plus fort et plus froid. Le forçage thermique imposé à la surface au nord de 60N affaiblit suffisamment le flux vertical d'activité ondulatoire pour que levortex en résulte plus froid et plus fort également. Lorsque le forçage thermique est appliqué à la fois dans une bande équatoriale et dans une bande des moyennes latitudes, le forçage dans les subtropiques domine le signe de la réponse dans le vortex polaire