Authors:	Schneider, Steven
Title:	Simulation of a Permian climate and analysis of atmospheric transport and mixing processes
Online publication date:	21-Feb-2019
Year of first publication:	2019
Language:	english
Abstract:	The modelling of palaeoclimates allows to analyse the environment of a certain period in the past. Additionally, it can give insight to the behaviour of specific atmospheric processes under altered circumstances. The Permian (299-251 mya) provides promising topographical and atmospheric conditions for palaeoclimate studies. The supercontinent of Pangaea predominated the topography which is one of the best known reconstructed topographies of the Palaeozoic and Mesozoic. Its extensive landmass comprised almost all of the present-day continents and stretched nearly from pole to pole. In the course of that period the atmospheric carbon dioxide content increased significantly to a multiple of the present-day concentration and induced global warming. The application of the established atmosphere-ocean general circulation model EMAC-MPIOM to simulate the palaeoclimate of the Middle Permian requires the estimation of boundary conditions, like e.g. the fraction of greenhouse gases and the astronomical setting, as well as the generation of a full land surface data set. The response stage of atmosphere and upper ocean layers to the changed conditions is in the magnitude of a few years, whereas it lasts several thousand years of simulation for deep ocean layers. The found equilibrium shows only a small net radiation imbalance and the equilibrium state turns out to be unique and independent of initialisation. The simulated mean climate for the Middle Permian is characterised by warm temperatures, especially in high latitudes, extreme saisonality and dry conditions in the continental interior. There is no permanent sea ice coverage on both hemispheres and the vicinity of the Tethys Ocean is subjected to a monsoonal climate. The geographic distribution pattern of associated biomes matches well the pattern derived from lithological and floral data in the Southern Hemisphere and in the low latitude range of the Northern Hemisphere. The higher resolution of the model results in warmer temperatures and increased precipitation in these areas compared to the climate simulated by other models on coarser grids. However, northern mid- and high latitude regions generally tend towards cooler and drier conditions due to weak northward heat transport by the ocean. Further sensitivity studies deal with how the simulated Permian climate depends on atmospheric carbon dioxide concentration, vegetation distribution, fluctuations of solar irradiation in the course of the Milankovitch cycles, and the parameterisation of convection. Effects on atmospheric stability and vertical transport are evaluated with regard to the altered temperature and moisture distributions and the continuous forcing by nudging techniques. The analyses include the impact on the frequency of unstable conditions in the lower, middle, and upper troposphere. Furthermore, the impact on frequency and intensity of triggered convection events is examined as well as the response of the tropopause height. The comparison between the Permian and the present-day scenario focusses on mean meridional effects. In contrast, the analysis of the nudging impact on processes in the present-day atmosphere allows to extract regional effects and the impact of the single nudged prognostic variables is eventually separated. Das Modellieren und Simulieren von Paläoklimaten ermöglicht einerseits die Untersuchung der Klima- und Umweltbedingungen im damaligen Erdzeitalter. Andererseits kann aber auch das Verhalten verschiedener atmosphärischer Prozesse unter veränderten Bedingungen analysiert werden. Die topographischen und atmosphärischen Bedingungen im Perm (vor 299-251 Millionen Jahren) bieten eine vielversprechende Umgebung für paläoklimatische Untersuchungen. Die Topographie wird durch den Superkontinent Pangäa dominiert und ist eine der am besten rekonstruiertesten Topographien des Paläozoikums und Mesozoikums. Die ausgedehnte Landmasse Pangäas bestand aus fast allen heute bekannten Kontinente und erstreckte sich nahezu von Pol zu Pol. Der Kohlenstoffdioxidgehalt der Atmosphäre stieg im Laufe des Perms auf ein Vielfaches des heutigen Wertes und erzeugte globale Erderwärmung. Die Abschätzung verschiedener Randbedingungen, wie z.B. der Anteil an Treibhausgasen und die astronomische Konstellation, sowie die Erzeugung eines vollständigen Oberflächendatensets sind notwendig, um das Paläoklima des Mittleren Perms mit dem etablierten Atmosphäre-Ozean-Zirkulationsmodell ECHAM-MPIOM simulieren zu können. Die Reaktionszeit der Atmosphäre und der oberen Ozeanschichten auf die veränderten Bedingungen liegt in der Größenordung mehrerer Jahre, während tiefere Ozeanschichten eine Reaktionszeit mehrerer Jahrtausende aufweisen. Der resultierende Gleichgewichtszustand zeigt nur kleine Abweichungen vom Strahlungsgleichgewicht und erweist sich als eindeutig und unabhängig von der Initialisierung. Das simulierte mittlere Klima für das Mittlere Perm zeichnet sich durch warme Temperaturen, insbesondere in den hohen Breiten, extreme Saisonalität sowie sehr trockene Verhältnisse im Kontinentinnern aus. Es gibt keine permanente Meereisbedeckung in beiden Hemisphären und die Umgebung der Tethyssee ist einem Monsunklima ausgesetzt. Für die Südhalbkugel wie auch die niedrigen Breiten der Nordhalbkugel stimmt die geographische Verteilung der assoziierten Biome gut mit der auf lithologischen und botanischen Daten basierenden Verteilung überein. In diesen Gebieten führt die höhere Auflösung tendenziell zu wärmeren Temperaturen und erhöhtem Niederschlag verglichen mit den Simulationen anderer Modelle, bei denen zumeist niedrigere Auflösungen verwendet wurden. Aufgrund des schwächeren Ozeanwärmetransports nach Norden neigen die mittleren und hohen Breiten der Nordhalbkugel dagegen eher zu zu kälteren und trockneren Bedingungen. In Sensitivitätsstudien werden die Abhängigkeit des simulierten Klimas von dem Kohlenstoffdioxidgehalt der Atmosphäre, der Vegetationsverteilung, Strahlungsschwankungen im Zuge der Milankovic-Zyklen sowie der Parametrisierung der Konvektion behandelt. Effekte auf atmosphärische Stabilität und vertikalen Transport werden im Hinblick auf die veränderten Temperatur- und Feuchteverteilungen im Perm und das kontinuierliche Forcing durch Anwendung von Nudging-Techniken untersucht. Die Analysen beinhalten den Einfluss auf die Häufigkeit instabiler Verhältnisse in der unteren, mittleren und oberen Troposphäre. Weiterhin wird die Auswirkung auf Häufigkeit und Intensität konvektiver Ereignisse wie auch der Reaktion der Tropopausenhöhe betrachtet. Dabei konzentriert sich der Vergleich zwischen dem Perm und der heutigen Atmosphäre auf mittlere meriodionale Effekte, während die Analyse der durch Nudging verursachten Veränderungen auch regionale Effekte miteinbezieht und den Einfluss der einzelnen Variablen separiert.
DDC:	550 Geowissenschaften 550 Earth sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3033
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000026669
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	III, 260 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen