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The response of mesospheric H₂O and CO to solar irradiance variability in models and observations

Karagodin-Doyennel, Arsenij und Rozanov, Eugene und Kuchar, Ales und Ball, William und Arsenovic, Pavle und Remsberg, Ellis und Jöckel, Patrick und Kunze, Markus und Plummer, David A. und Stenke, Andrea und Marsh, Daniel und Kinnison, Doug und Peter, Thomas (2021) The response of mesospheric H₂O and CO to solar irradiance variability in models and observations. Atmospheric Chemistry and Physics (ACP), 21 (1), Seiten 201-216. Copernicus Publications. doi: 10.5194/acp-21-201-2021. ISSN 1680-7316.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
8MB

Offizielle URL: https://acp.copernicus.org/articles/21/201/2021/

Kurzfassung

Water vapor (H2O) is the source of reactive hydrogen radicals in the middle atmosphere, whereas carbon monoxide (CO), being formed by CO2 photolysis, is suitable as a dynamical tracer. In the mesosphere, both H2O and CO are sensitive to solar irradiance (SI) variability because of their destruction/production by solar radiation. This enables us to analyze the solar signal in both models and observed data. Here, we evaluate the mesospheric H2O and CO response to solar irradiance variability using the Chemistry-Climate Model Initiative (CCMI-1) simulations and satellite observations. We analyzed the results of four CCMI models (CMAM, EMAC-L90MA, SOCOLv3, and CESM1-WACCM 3.5) operated in CCMI reference simulation REF-C1SD in specified dynamics mode, covering the period from 1984–2017. Multiple linear regression analyses show a pronounced and statistically robust response of H2O and CO to solar irradiance variability and to the annual and semiannual cycles. For periods with available satellite data, we compared the simulated solar signal against satellite observations, namely the GOZCARDS composite for 1992–2017 for H2O and Aura/MLS measurements for 2005–2017 for CO. The model results generally agree with observations and reproduce an expected negative and positive correlation for H2O and CO, respectively, with solar irradiance. However, the magnitude of the response and patterns of the solar signal varies among the considered models, indicating differences in the applied chemical reaction and dynamical schemes, including the representation of photolyzes. We suggest that there is no dominating thermospheric influence of solar irradiance in CO, as reported in previous studies, because the response to solar variability is comparable with observations in both low-top and high-top models. We stress the importance of this work for improving our understanding of the current ability and limitations of state-of-the-art models to simulate a solar signal in the chemistry and dynamics of the middle atmosphere.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/140297/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:The response of mesospheric H₂O and CO to solar irradiance variability in models and observations
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Karagodin-Doyennel, ArsenijThe Institute for Atmospheric and Climate Science (IAC), ETH Zurich, Zurich, SwitzerlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Rozanov, EugeneThe Physikalisch-Meteorologisches Observatorium Davos/World Radiation Center (PMOD/WRC), Davos, Switzerlandhttps://orcid.org/0000-0003-0479-4488NICHT SPEZIFIZIERT
Kuchar, AlesFaculty of Physics and Earth Sciences, Leipzig Institute for Meteorology (LIM), Leipzig, Germanyhttps://orcid.org/0000-0002-3672-6626NICHT SPEZIFIZIERT
Ball, WilliamDepartment of Geoscience and Remote Sensing, TU Delft, Delft, the Netherlandshttps://orcid.org/0000-0002-1005-3670NICHT SPEZIFIZIERT
Arsenovic, PavleSwiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (EMPA), Dübendorf, Switzerlandhttps://orcid.org/0000-0001-8844-7007NICHT SPEZIFIZIERT
Remsberg, EllisScience Directorate, NASA Langley Research Center, Hampton, Virginia, USAhttps://orcid.org/0000-0002-6452-2794NICHT SPEZIFIZIERT
Jöckel, PatrickDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-8964-1394NICHT SPEZIFIZIERT
Kunze, MarkusInstitut für Meteorologie, Freie Universität Berlin, 12165 Berlin, Germanyhttps://orcid.org/0000-0002-9608-1823NICHT SPEZIFIZIERT
Plummer, David A.Climate Research Division, Environment and Climate Change Canada, Montreal, Canadahttps://orcid.org/0000-0001-8087-3976NICHT SPEZIFIZIERT
Stenke, AndreaThe Institute for Atmospheric and Climate Science (IAC), ETH Zurich, Zurich, Switzerlandhttps://orcid.org/0000-0002-5916-4013NICHT SPEZIFIZIERT
Marsh, DanielNational Center for Atmospheric Research, Boulder, Colorado, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kinnison, DougNational Center for Atmospheric Research, Boulder, Colorado, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Peter, ThomasThe Institute for Atmospheric and Climate Science (IAC), ETH Zurich, Zurich, SwitzerlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:11 Januar 2021
Erschienen in:Atmospheric Chemistry and Physics (ACP)
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:21
DOI:10.5194/acp-21-201-2021
Seitenbereich:Seiten 201-216
Verlag:Copernicus Publications
ISSN:1680-7316
Status:veröffentlicht
Stichwörter:water vapour, carbon monoxide, upper atmosphere, mesosphere, chemistry climate modeling, MESSy, EMAC, ESCiMo, Earth System Chemistry Integrated Modelling, CCMI, chemistry climate initiative
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erdbeobachtung
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EO - Erdbeobachtung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Projekt Klimarelevanz von atmosphärischen Spurengasen, Aerosolen und Wolken, R - Atmosphären- und Klimaforschung
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Physik der Atmosphäre > Erdsystem-Modellierung
Hinterlegt von: Jöckel, Dr. Patrick
Hinterlegt am:13 Jan 2021 09:27
Letzte Änderung:13 Jan 2021 09:27

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