Variabitity on decadal scales in Pacific sea surface temperatures and atmosphere ocean interaction in the coupled general circulation model ECHAM4/OPYC3

The work presented in this thesis consists of both practical development and analytical investigation of a run with the coupled climate model ECHAM4/OPYC3. The practical aspect involved the devel- opment of a coupling interface for synchronizing ECHAM and OPYC and performing the regridding of the surface fluxes and SST. The numerical treatment of the regridding problem is innovative in coupled climate modelling. A meshwidth refinement strategy in analogy to interpolatory subdivision, widespread in Computer Aided Geometric Design (CAGD), was developed which preserves positiv- ity for fields such as river discharge. It includes special treatment of the irregular domain given by ocean grid points only and employs open boundaries at the latitudinal extremities. The annual mean flux adjustment used was based on ideas by Oberhuber (pers. comm.), in collaboration with whom a scheme for heat flux adjustment for sea ice covered grid points was implemented. The coupled model simulation for the Pacific reproduces the mean climate simulated by the uncou- pled model as discussed in Roeckner et al. (1996b). Temperature, zonal wind, 500 hPa height and preciptation annual mean and seasonal results deviate little from the uncoupled reference. For sea surface temperature (SST) the seasonal cycle of warm pool and cold tongue extent is similar to observations, apart from cooling in the north-eastern warm pool area about one month prematurely and a premature termination of the cold tongue cold phase. Surface heat fluxes and wind stress agree with the Oberhuber (1988) and ECMWF reanalysis climatologies, respectively, if the uncertainties in the heat flux climatology, e.g. over the warm pool domain, are taken into account. Exceptions are excessive heat flux in areas with stratus over the eastern subtropical oceans and the substantial over- estimation of boreal summer south-eastern trades on the equator. Mixed layers are predicted success- fully. The tropical thermocline and currents due to the use of isopycnic coordinates are located correctly, but currents are artificially broadened and attain only about half the observed maximum speeds. Sea ice seasonal evolution agrees with observations except for underestimated Antarctic win- ter sea ice cover. Decadal scale Pacific SST variability was mostly captured by the projection onto two modes. One mode was linearly related to decadal eastern equatorial Pacific cold tongue ('CT') variability. The other, termed the 'NP' (North Pacific) mode, was obtained as the dominant mode of an SVD analysis of Pacific domain SST and 500 hPa geopotential height both of which had first been transformed to residual fields by removing the variability linearly related to the CT index. These modes were found both in the coupled control integration and in an integration of the ECHAM4 model with the bound- ary condition prescribed from the GISST 2.2 dataset Explained fractions of variance for these modes of covariability of SST and the general circulation are substantially greater than expected for a null continuum. The associated regression pattems closely resembled the pattems of Pacific SST variability found by Deser and Blackmon (1995) or those found inZhang et al. (1996). A regression analysis for zonal wind and temperature on latitude-pressure sections both at 160o E and 160o'W was performed to address the problem of a robust atmospheric response to the two types of SST anoma- lies. A significant signal consistent with equivalent barotropic structure and thermal wind balance was associated with each mode. Due to the substantial midlatitude contribution found in the NP mode SST pattern, the regression result is of interest regarding the persistent controversy as to whether midlatitude SST has a detectable influence on the extratropical circulation (Namias, 1959, Pitcher et al., 1988, Latif and Barnett, 1994, Peng et al., 1997). The CT related anomalies were con- sistent with a weakened Walker circulation familiar from ENSO, consistent with which there waslso a North East Pacific response (Roeckner et al., 1996a). The analysis of SST tendency terms examined heat flux components, but also lateral and vertical heat fluxes through the depth of the mixed layer. Heat fluxes for the CT mode exhibit negative corre- lation dominated by latent heat flux and shortwave radiation, mostly confined to the tropics as in the study by Lau and Nath (1994). For the decadal scale, a sizable negative correlation with the CT pat- tem was found for shortwave radiation between 10o N and25o N along the northern flank of the tri- angular tropical SST anomaly, explained by anomalous moisture convergence in the PBL and associated midlevel convection. For the NP mode, positive shortwave radiative flux anomalies asso- ciated with negative SST anomalies were found near the date line south of the equator. The other prominent signal for this mode consisted in turbulent heat flux in the westem North Pacific associ- ated with warm SST anomalies, heating the surface south-east of Japan but cooling it further north. In the eastern subtropical North Paciflc the anomalous heat budget was dominated by upwelling (downwelling) associated with cold (warm) SST anomalies. For both modes this could be attributed to oceanic Rossby waves in consequence of more than one ENSO (cf. Meyers et al., 1996). The North Pacific SST anomalies were predominantly maintained by the advective Ekman contribution. Applying Sverdrup balance, the wind stress anomalies associated with a warm (cold) midlatitude SST anomaly implied anomalous meridional convergence (divergence) in the thermocline. A com- plex regression analysis of sea level confirmed this ocean response. It also corroborated the Rossby wave mechanism for the CT mode, yielding patterns similar to the coupled model study by Yukimoto et al. (1996). The results for the NP mode were similar to those obtained in the coupled models of Latif and Barnett (1994) and Storch (1994). Difference patterns for periods after and before the 1976 'climate shift' shown for SST by Namias (1979), for SLP by Trenberth (1990) and for net surface heat flux and wind stress by Yasuda and Hanawa(1996) were found to be reproduced by the coupled model in terms of the regression pattems for the NP mode.Die vorliegende Arbeit beschreibt technische Entwicklungsarbeiten und statistische Analysen des Autors hinsichtlich des gekoppelten Atmosphäre-Ozean-Klimamodells ECHAM4/OPYC3. Der technische Beitrag des Autors besteht in der Entwicklung eines eigenständigen Programmpaketes und der Modifikation des Datenflusses beider Einzelmodelle derart, daß eine synchron gekoppelte Simulation beider Komponenten abläuft. Für die tägliche Übergabe der Flüsse von Wärme, Impuls und turbulenter kinetischer Energie an der Meeresoberfläche sowie von Netto-Niederschlag und Flußeintrag wurde ein in der gekoppelten Klimamodellierung neuartiges numerisches Verfahren ent- wickelt. Integralerhaltende Gittertransformation von ECHAM zu OPYC wird eruielt, indem ein von ECHAM berechneter Fluß an der Meeresoberfläche zunächst als Histogramm auf dem rekursiv ver- feinerten Gitter dargestellt und anschließend durch einfache Flächenmittelung auf das Gitter in OPYC übertragen wird. Der Fall der Positivität, z. B. beim Flußeintrag, wird benicksichtigt. Die durch Küsten gegebenen irregulÈiren Randstücke und die meridionale Einschränkung auf Tropen und Subtropen werden geeignet behandelt. Die Simulation verwendet nach Oberhuber (pers. Mitteilg.) eine Flußkorrektur, die keinen Jahresgang aufweist und nur auf die Flüsse von 'Wärme und Frisch- wasser (Kombination von Niederschlag, Verdunstung und Flußeintrag) wirkt. Das mittlere Klima der gekoppelten Kontrollsimulation stimmt gut mit dem des ungekoppelten At- mosphärenmodells überein (Roeckner et al.1996b). Temperatur, Zonalwind, geopotentielle Höhe der 500-hPa-F1äche und Niederschlag weichen im Jahres-,'Winter- und Sommermittel wenig vom ungekoppelten Modus ab. Der Jahresgang der in OPYC berechnete Meeresoberflächen-Tþmperatur (engl. 'sea surface temperature', SST) reproduziert die Beobachtungen, abgesehen von einer etwa ei- nen Monat verfrüht einsetzenden Abkühlung des nordöstlichen Randbereichs im westpazifischen Warmwassergebiet und einem vorzeitigen Übergang von der Kalt- zur Warmphase in Bereich der kalten Zunge im östlichen Äquatori aIpazifrk. Oberflächenflüsse von 'Wåirme und Impuls liefert die Simulation in guter Ûbereinstimmung mit der Klimatologie von Oberhuber (198S) bzw. der Reana- lyse des EuropäischenZentrums ftir Mittelfrist-V/ettervorhersage (EZMW). Ausnahmen hiervon bil- den überhöhte V/åirmefluß-'Werte in Bereichen maritimer Stratusbewölkung und deutlich überhöhte 'Werte der'Windschubspannung (:Impulsfluß) im Äquatorialpazifrkim nordhemispärischen Sommer. Der Jahresgang der Tiefe der ozeanischen Deckschicht wird von OPYC mit gutem Erfolg simuliert. Dank der in Länge, Breite und Zeit variierenden vertikalen Diskretisierung nach Isopyknen haben äquatoriale Strömungen und Sprungschicht (Thermokline) einen realistischen Verlauf, doch zeigen die Strömungen eine erheblich überschätzte laterale Ausdehnung und nur etwa die Hälfte der beob- achteten Maximalgeschwindigkeiten. Die simulierte Meereisbedeckung reproduziert die Beobach- tungen, abgesehen von einer Unterschätzung der antarktischen Eisausdehnung im Wintermaximum. Im wesentlichen läßt sich die simulierte dekadische Variabilität der SST im Pazifik durch ein Paar Indexzeitreihen und die zugehörigen Regressionsmuster der SST darstellen. Der erste Index be- schreibt den durch Tiefpaßfilterung mit Transmission für dekadische und längere Skalen gewonne- nen Anteil der Variabilität in der äquatorialen kalten Zunge (engl. 'cold tongue', CT). Der zweite Index wird als 'NP'-Index (für 'Nordpazifik') bezeichnet und ergibt sich als Entwicklungskoeffizient für das führende Paar singulärer Vektoren in der Singulärwertzerlegung ('SVD') der Kreuzkovari- anzmaftix der nach Elimination des CT-Anteils verbleibenden Residualgrößen pazifischer SST und der geopotentiellen Höhe der 500-hPa-Fläche. Beide Indizes können aufgrund des jeweiligen Anteils erklåirter Yarianz, der deutlich über dem für ein Nullkontinuum erwarteten V/ert liegt, als Moden derKovariabilität pazifrscher SST und der allgemeinen Zirkulation auf dekadischen und längeren Zeit- skalen angesehen werden. Beide Moden wurden sowohl für die gekoppelte Kontrollsimulation als auch für eine multidekadische Simulation mit ECHAM4 unter Vorgabe von SST des GISST 2.2Da- tensatzes erhalten. Meridionalschnitte bei 160" E und 160" W für Temperatur und Zonalwind zeigen signifikante Regressionsmuster, die der thermischen Windgleichung genügen. Da das SST-Muster des NP-Index wesentliche Beiträge im Nordpazifrk zeigt, weist dies auf mögliche Verursachung von Zirkulationsanomalien durch extratropische SST hin, woniber bis heute eine Kontroverse besteht (Namias 1 959, Pitcher et al. 1 988, Latif und Barnett 1.994, Peng et al. 1997). Bzgl. des CT-Index be- schreiben die Regressionsmuster eine Abschwächung der äquatorialen zonalen 'Walker'-Zirkulation, wie sie auch bei einem El-Niño/Südliche-Oszillations-Ereignis (ENSO) auftritt, sowie eine entspre- chende Reaktion in mittleren Breiten im Nordpazifik (vgl. Roeckner et al., 1996a). Mittels linearer Regression für beide Indizes wurde die Bedeutung der einzelnen Tendenzterme in der SST-Gleichung unter besonderer Berücksichtigung der turbulenten und strahlungsbedingten An- teile am Wärmefluß an der Meeresoberfläche untersucht. Letztercr zeigtbzgl des CT-Index ein auf die Tropen konzentriertes Muster mit vorwiegend negativer Korrelation und wird im wesentlichen durch den Fluß latenter Wtirme und die absorbierte kurzwellige Strahlung bestimmt. Dies wurde für interannuale Skalen von Lau und Nath (1994) in ähnlicher Form festgestellt. Im Unterschied zu de- ren Ergebnissen führt die Konzentration auf dekadische Skalen zu erheblichen Werten der Regressi- on des'Wärmeflusses in einem Bereich von 15o N bis 25" N, was der Nordflanke der meridional auf Dreiecksgestalt verbreiteten ENSO-ähnlichen SST-Anomalie entspricht. Hier dominiert die Ab- schwächung der kurzwelligen Strahlung aufgrund anomaler bodennaher Konvergenz und dadurch bedingte vermehrte mittelhohe Konvektion. Beim NP-Index ergibt sich im Zentral-lWestpazifik leicht südlich des Äquators vermehrte Einstrahlung bei negativen SST-Anomalien, während im west- lichen Nordpazifik bei positiven SST-Anomalien der Netto-V/åirmefluß eine Erwåirmung der Meeres- oberfläche südöstlich von Japan sowie eine Abkühlung weiter nördlich bewirkt. Im nordöstlichen subtropischen Pazifik dominiert für positive (negative) SST-Anomalien die Abschwächung (Verstär- kung) des Abkühlungseffekts infolge aus der Thermokline in den turbulenten Deckschichtbereich aufsteigenden'Wassers. Dies läßt sich für beide Indizes im wesentlichen als Auswirkung von Störun- gen der Thermokline infolge subtropischer Rossbywellen-Aktivität im Zusammenhang mit aufein- anderfolgenden ENSO-Ereignissen interpretieren (vgl. Meyers et aL. 1996). Für die nordpazifischen SST-Anomalien in mittleren Breiten sind anomale advektive'Wåirmeflüsse infolge Ekman-Drift maß- geblich. Hier ergibt eine qualitative Argumentation unter Annahme Sverdrupscher Strömung ftir die zu positiven (negativen) SST-Anomalien assoziierten Windschubanomalien anomale Konvergenz (Divergenz) in der Thermoklinen. Diese Thermoklinenreaktion wurde durch eine komplexwertige Regression des'Wasserstandes bzgl. der beiden Indizes bestätigt, ebenso die Rolle von Rossbywel- lenaktivität in den Subtropen. Die komplexe Regression ergab für den CT-Index qualitative Überein- stimmung mit dem bei Yukimoto et al. (1996) beschriebenen gekoppelten Modell, während für den NP-Index Modellergebnisse von Storch (1994) und Latif und Barnett (1994) reproduziert wurden. Ubereinstimmung zeigen die Ergebnisse der vorliegenden gekoppelten Simulation mit Analysen von Beobachtungen im Hinblick auf die 1976 verzeichnete 'Klimaverschiebung' im nordpazifischen Raum. Differenzmuster für Zeítráume nach und vor diesem Ereignis finden sich bzgl. SST bei Nami- as (1979), bzgl. Bodendruck bei Trenberth (1990) sowie bzgl. der Flüsse von V/åirme und Impuls an der Meeresoberfläche bei Yasuda und Hanawa (1996). Diesen entsprechen in der gekoppelten Simu- lation die Regressionsmuster des NP-Index