Historical Warming and Climate Sensitivity

Abstract

In this dissertation, we study the climate sensitivity of the Earth. The climate sensitivity quantifies the response of the Earth system to radiative forcing, in particular, the radiative forcing induced by humans. We use both complex climate modelling and observations from the historical record for this endeavour. We analyse these data sources from the perspective of a conceptual framework based on the Earth's energy budget. The foci of our study are on two wide topics.

The first topic estimates how sensitive the Earth's climate is to carbon dioxide using the historical warming. We use two quantities to measure the sensitivity: the transient climate response (TCR) and the long-term equilibrium climate sensitivity (ECS). Past studies analysed the historical observations of warming and forcing in the light of the Earth's energy budget to estimate TCR and ECS. We ascertain that some of these calculations underestimate TCR and ECS. First, we analyse the disadvantages of past observational estimates concerning the uncertainties in the anthropogenic radiative forcing. Based on this analysis, we select the post-1970s period. Then we link the modelled warming in this period in complex climate models with the corresponding modelled TCR and ECS. This relationship between warming and sensitivity, and the observed post-1970s warming allow us to estimate TCR and ECS. Our TCR estimate is higher than the past estimates, and we find that this difference can be explained by past studies assuming that the ocean mixed-layer is equilibrated. Our ECS estimate is also higher than some past estimates and is in line with other studies that accounted for the effects of an evolving sea-surface temperature pattern. The evolving sea surface temperature pattern changes the feedback mechanisms on the warming and temporarily counteract the radiative forcing.

The second topic explores the role of clouds in this temporary dampening of the transient global warming. We find that the cloud feedback not only acts directly with the sea surface temperature patterns that arise when the climate system is out of equilibrium, but clouds also affect other relevant feedback mechanisms. Past studies found that the evolving sea surface temperature pattern changes the radiative response between decadal and centennial timescales. A proposed mechanism connects clouds with the evolving pattern. They also show in observations the relationship between the decadal cloud variations and the corresponding variations in the radiative response of the Earth. Assisted by a complex climate model, we find that not only clouds link the evolving pattern with the radiative response, but also that they influence the remaining relevant mechanisms. To unravel the role of clouds, we use a cloud-locking technique which inhibits cloud feedback. We find that: a) clouds explain almost half of the difference in the radiative response between decadal and centennial timescales, and b) a synergy between cloud processes, lapse-rate and water-vapour feedback provides the tropical free-tropospheric warming that the proposed physical mechanism needs.

In dieser Dissertation untersuchen wir die Klimasensitivität der Erde. Die Klimasensitivität misst die Reaktion des Erdsystems auf den Strahlungsantrieb unter besonderer Berücksichtigung des anthropogenen Strahlungantriebes. Dazu verwenden wir sowohl komplexe Klimamodelle, als auch historische Beobachtungen. Wir analysieren beide Datenquellen im physikalisch-konzeptuellen Rahmen des Wärmehaushaltes der Erde. Die Schwerpunkte unserer Untersuchung liegen auf zwei großen Themengebieten.

Das erste Thema schätzt basierend auf der historischen Erwärmung ab wie sensibel das Klima der Erde auf Kohlendioxyd reagiert. Wir verwenden zwei Maße, um die Sensitivität zu messen: die kurzfristige emph{Transient Climate Response} (TCR) und die langfristige emph{Equilibrium Climate Sensitivity} (ECS). Vorherige Untersuchungen analysieren historische Beobachtungen der Erwärmung und des Strahlungsantriebes mit dem Wärmehaushalt der Erde, um die TCR und die ECS zu berechnen. Wir stellen fest, dass einige dieser früheren Berechnungen die TCR und die ECS unterschätzen. In dieser Dissertation analysieren wir zuerst die Nachteile dieser früheren Schätzungen in Bezug auf die Messunsicherheit des anthropogenen Strahlungsantriebs. Aufgrund der niedriegeren Messunsicherheit des anthropogenen Aerosolstrahlungsantriebes wählen wir für unsere Analyse den Zeitraum ab den 1970-iger Jahren aus. Dann verbinden wir die modellierte Erwärmung in diesem Zeitraum mit den entsprechenden modellierten TCRs und ECSs. Die ermittelte Beziehung zwischen Erwärmung und Sensitivität und die tatsächliche Erwärmung seit den 1970-iger Jahren macht eine neue Schätzungen der tatsächliche TCR und ECS möglich. Unsere Schätzung der TCR ist höher als die früheren Schätzungen. Wir stellen fest, dass der Unterschied auf eine Annahme vorheriger Schätzungen zurückführbar ist: Bezüglich des Wärmeaustausches ist der gutgemischte Ozean stationär. Unsere Schätzung der ECS ist ebenfalls höher als diejenigen einiger vorheriger Schätzungen. Unsere Schätzung stimmt mit anderen Schätzungen, die die Effekte eines sich entwickelnden Musters der Meeresoberlfächnetemperatur berücksichtigen, überein. Dieses Muster verändert die Rückkopplungsmechanismen und wirkt dem Strahlungsantrieb vorläufig entgegen.

Das zweite Thema handelt von der Rolle der Wolken in dieser vorläufigen Dämpfung der transienten globalen Erwärmung. Wir entdecken, dass die Wolkenrückkopplung nicht nur eine direkte Wirkung hat, sondern auch, dass die Wolken andere relevante Rückkopplungen beeinflussen. Vorherige Untersuchungen stellten fest, dass das sich entwickelnde Muster der Meeresoberflächentemperatur die Strahlungsreaktion zwischen zehn- und hundertjährigen Zeitskalen verändert. Ein möglicher physikalischer Mechanismus, der die Wolken mit dem sich entwickelnden Muster verknüpft, wurde vorgeschlagen. Die Beziehung zwischen den zehnjährigen Schwankungen der Wolken und den entsprechenden Änderungen in der Strahlungsreaktion der Erde konnte bereits durch Beobachtungen verifiziert werden. Mit Hilfe eines komplexen Kimamodells finden wir, dass nicht nur die Wolken das sich entwickelnde Muster mit der Strahlungsreaktion verknüpfen, sondern auch, dass die Wolke die übrigen relevanten Mechanismen beeinflussen. Um die Rolle der Wolken zu untersuchen, verwenden wir eine ''cloud-locking'' Technik, die die Wolkenrückkopplung unterbindet. Unser Resultat ist: a) die Wolken erklären fast die Hälfte der Änderung der Strahlungsreaktion zwischen zehn- und hundertjährigen Zeitskalen und b) eine Synergie zwischen Wolkenprozessen, die Temperatur-Gradient- und die Wasserdampfrückkopplung liefert die tropische frei-troposphärische Erwärmung, die der vorgeschlagene physikalische Mechanismus benötigt.