How water vapor shapes Earth's longwave climate feedback

Abstract

Die langwellige Rückkopplung bei klarem Himmel, λ, ist bei weitem die stärkste Strahlungsrückkopplung im Klimasystem der Erde. Daher spielt λ eine wesentliche Rolle bei der Bestimmung der Klimasensitivität, dem Temperaturanstieg in Folge einer Verdopplung der atmosphärischen CO2-Konzentration. Diese Arbeit behandelt die herausragende Rolle, die Wasserdampf bei der Bestimmung von λ spielt. Diese ergibt sich daraus, dass Wasserdampf ein starkes Treibhausgas ist, dessen Konzentration mit steigender Temperatur stark zunimmt. Diese spektroskopischen und thermodynamischen Eigenschaften von Wasserdampf sind grundsätzlich gut verstanden, aber es gibt weiterhin Unsicherheiten hinsichtlich ihres genauen quantitativen Verhaltens. In dieser Arbeit untersuche ich die Auswirkungen dieser Unsicherheiten in den Eigenschaften von Wasserdampf auf λ. Zu diesem Zweck analysiere ich das spektral aufgelöste λν, das quantifiziert, wie λ von der Wellenzahl ν der thermischen Strahlung abhängt. Dieser Ansatz ermöglicht ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Rückkopplungsprozesse bezüglich der relevanten Treibhausgase und vertikalen Schichten der Atmosphäre. In meiner ersten und zweiten Studie konzentriere ich mich auf Unsicherheiten in der Thermodynamik, insbesondere darauf, wie sich die relative Feuchte R in einer wärmeren Atmosphäre ändert. In erster Näherung wird in der Regel angenommen, dass R bei Erwärmung konstant bleibt, doch Änderungen in der Zirkulation können Veränderungen der relativen Feuchte sowohl regional als auch im globalen Mittel verursachen. In meiner ersten Studie leite ich das global gemittelte λν aus Satellitenbeobachtungen der kurzfristigen Variabilität ab. Ich finde heraus, dass das beobachtete λν in den Absorptionsbanden von Wasserdampf stärker stabilisierend wirkt im Vergleich zu idealisierten Modellstudien. Anhand von Strahlungstransfersimulationen zeige ich, dass dies teilweise auf zwei Merkmale von Wasserdampf zurückzuführen ist, die von diesen Modellen nicht erfasst werden: (1) Horizontale Variationen in der Wasserdampfkonzentration q zwischen den Tropen und den Polargebieten bedeuten, dass die bodennahe Emission aus den Polargebieten in der realen Welt leichter in den Weltraum entweichen kann im Vergleich zu idealisierten Modellen, welche die Atmosphäre der Erde durch eine einzelne, global gemittelt Atmosphärensäule darstellen. (2) Eine abnehmende global gemittelte R bei Erwärmung in der analysierten kurzfristigen Variabilität führt zu mehr atmosphärischer Emission bei Erwärmung, was das beobachtete λν stabilisiert im Vergleich zu idealisierten Modellen, welche konstante R annehmen. Diese beobachtungsgestützte Einschränkung des global gemittelten λν kann nützlich sein, um die Darstellung von Variationen in der relativen Feuchte sowie Rückkopplungsprozessen in Klimamodellen zu evaluieren. In meiner zweiten Studie baue ich auf diese Erkenntnisse auf, indem ich λν als Funktion der bodennahen Lufttemperatur Ts direkt beobachte. Diese Beobachtungen bestätigen den Effekt der bodennahen Emission bei niedrigen Ts und zeigen darüber hinaus, dass λν bei diesen Ts empfindlich auf Abweichungen in der Darstellung der Obeflächentemperatur der Erde reagiert. Die Beobachtungen bestätigen auch die wichtige Rolle von Änderungen der relativen Feuchte bei Erwärmung bei hohen Ts. Insbesondere zeige ich, dass das Spektrum von λν direkt vertikale Variationen in der Änderung der relativen Feuchte bei Erwärmung abbildet, da verschiedene Teile des Spektrums auf verschiedene atmosphärische Schichten reagieren. Auf diese Weise zeige ich, dass das beobachtete λν bei einer großen Bandbreite von Ts vollständig verstanden werden kann, wenn nur eine geringe Anzahl von Variablen berücksichtigt wird. Dies festigt unser Verständnis von λ und bildet die Grundlage für ähnliche Studien zu vergangenen Klimaten der Erde. In meiner dritten Studie konzentriere ich mich auf Unsicherheiten in der Spektroskopie, insbesondere in der Kontinuumabsorption von Wasserdampf, welche die Absorption aufgrund von schlecht verstandenen Wechselwirkungen zwischen Wasserdampfmolekülen darstellt. Unter Verwendung eines Einzelsäulenmodells finde ich heraus, dass die zwei Komponenten des Kontinuums λ unterschiedlich beeinflussen: Eine Erhöhung des Eigenkontinuums, das quadratisch von q abhängt, schwächt λ ab; eine Erhöhung des Fremdkontinuums, das linear von q abhängt, verstärkt λ. Ich zeige, dass diese entgegengesetzten Auswirkungen aufgrund der unterschiedlichen Abhängigkeiten von q auftreten: Ein stärkeres Eigenkontinuum reduziert die ausgehende langwellige Strahlung L hauptsächlich bei hohen Ts während ein stärkeres Fremdkontinuum L hauptsächlich bei niedrigen Ts reduziert. Um die Unsicherheit des Kontinuums in der realen Welt darzustellen, berücksichtige ich die negative Korrelation zwischen den Unsicherheiten des Eigenkontinuums und des Fremdkontinuums mit zwei verschiedenen Ansätzen. Auf diese Weise zeige ich, dass die Unsicherheit des Kontinuums λ beeinflusst, indem sie sowohl die Temperaturabhängigkeit als auch die vertikale Verteilung der Kontinuumabsorption beeinflusst. Insgesamt ist der Effekt auf λ bei globalen Mitteltemperaturen moderat, aber bei tropischen Temperaturen erheblich. Daher ist eine korrekte Aufteilung zwischen Eigen- und Fremdkontinuumabsorption wichtig, um λ und seine Temperaturabhängigkeit besser zu bestimmen.

The clear-sky longwave feedback λ is by far the strongest radiative feedback in Earth’s climate system. Therefore, λ plays an essential role in determining climate sensitivity, the temperature increase following a doubling of atmospheric CO2 concentration. The overarching theme of this thesis concerns the uniquely important role water vapor plays in determining λ which arises from the fact that water vapor is a strong greenhouse gas whose concentration strongly increases with temperature. These spectroscopic and thermodynamic properties of water vapor are overall well-understood, but uncertainties remain regarding their exact quantitative behavior. In this thesis, I investigate the impact of these uncertainties in the properties of water vapor on λ. I do so by focusing on the spectrally resolved λν which quantifies how λ depends on the wavenumber ν of thermal radiation. This approach allows for a better understanding of the underlying feedback processes regarding both the relevant greenhouse gases and the vertical layers of the atmosphere. In my first and second study, I focus on uncertainty in the thermodynamics, specifically, how relative humidity R will change in a warming atmosphere. To first order, it is usually assumed that R remains constant with warming; however, changes in circulation can lead to variations in R, both regionally and in the global mean. In my first study, I derive the global-mean λν from satellite observations of short-term variability. I find that the observed λν is more strongly stabilizing in the absorption bands of water vapor compared to idealized model studies. Based on radiative transfer simulations, I demonstrate that this is in part due to two features of water vapor not captured by these models: (1) Horizontal variations in water vapor concentration q between the tropics and the polar regions mean that surface emission from the polar regions can more easily escape to space in the real world compared to idealized models that represent Earth’s atmosphere by a single global-mean atmospheric column. (2) Decreasing global-mean R with warming in the analyzed short-term variability causes more atmospheric emission with warming which stabilizes the observed λν compared to idealized models that assume constant R. This observational constraint on the global-mean λν can be useful to evaluate the representation of R variations and feedback processes in climate models. In my second study, I expand on these findings by directly observing λν as a function of near-surface air temperature Ts. These observations corroborate the effect of surface emission at low Ts, and further show that λν at these Ts is sensitive to biases in the representation of Earth’s skin temperature. The observations also confirm the important role of changes in R with warming at high Ts. In particular, I demonstrate that the spectrum of λν directly maps onto vertical variations in the change of R with warming, as different parts of the spectrum are sensitive to different atmospheric layers. This way, I demonstrate that the observed λν at a wide range of Ts can be fully understood considering only a small number of variables, which solidifies our understanding of λ and provides the foundation for similar studies on past climates of Earth. In my third study, I focus on uncertainty in the spectroscopy, specifically in water vapor continuum absorption, which represents absorption due to poorly understood interactions between water vapor molecules. Using a single-column model, I find that the two components of the continuum differently affect λ: Increasing the self continuum, which depends quadratically on q, weakens λ; increasing the foreign continuum, which depends linearly on q, strengthens λ. I demonstrate that these opposite effects occur because of the different dependencies on q: A stronger self continuum mostly reduces outgoing longwave radiation L at high Ts, whereas a stronger foreign continuum mostly reduces L at low Ts. To represent real-world continuum uncertainty, I account for the negative correlation between self and foreign continuum uncertainties using two different approaches. This way, I show that continuum uncertainty affects λ by affecting both the temperature dependence and vertical distribution of continuum absorption. Overall, the effect on λ is modest at global-mean temperatures, but substantial at tropical temperatures. Therefore, a correct partitioning between self and foreign continuum absorption is important to better constrain λ and its temperature dependence.