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CO2 variability and seasonal cycle in the UTLS: insights from EMAC model and AirCore observational data

Degen, Johannes und Baier, Bianca C. und Jöckel, Patrick und Menken, J. Moritz und Schuck, Tanja J. und Sweeney, Colm und Engel, Andreas (2025) CO2 variability and seasonal cycle in the UTLS: insights from EMAC model and AirCore observational data. Atmospheric Chemistry and Physics (ACP), 25 (22), Seiten 15741-15763. Copernicus Publications. doi: 10.5194/acp-25-15741-2025. ISSN 1680-7316.

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

Offizielle URL: https://dx.doi.org/10.5194/acp-25-15741-2025

Kurzfassung

The complex distribution of CO2 in the upper troposphere and lower stratosphere (UTLS) results from the interplay of different processes and mechanisms. However, in such difficult-to-access regions of the atmosphere our understanding of the CO2 variability remains limited. Using vertical trace gas profiles derived from measurements with the balloon-based AirCore technique for validation, we investigate the UTLS and stratospheric CO2 distribution simulated with the ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC) global chemistry-climate model. By simulating an artificial, deseasonalised CO2 tracer, we disentangle the CO2 seasonal signal from long-term trend and transport contribution. This approach allows us to study the CO2 seasonal cycle in a unique way in remote areas and on a global scale. Our results show that the tropospheric CO2 seasonal cycle propagates upwards into the lowermost stratosphere and is most modulated in the extra-tropics between 300–100 hPa, characterised by a 50 % amplitude dampening and a 4-month phase shift in the Northern Hemisphere mid-latitudes. During this propagation the seasonal cycle shape is also tilted, which is associated with the transport barrier related to the strength of the subtropical jet. In the stratosphere, we identified both, a vertical and a horizontal “tape recorder” of the CO2 seasonal cycle. Originating in the tropical tropopause region this imprint is linked to the upwelling and the shallow branch of the Brewer-Dobson-circulation. As the CO2 seasonal signal carries information about transport processes on different timescales, the newly introduced tracer is a very useful diagnostic tool and would also be a suitable metric for model intercomparisons.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/219139/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:CO2 variability and seasonal cycle in the UTLS: insights from EMAC model and AirCore observational data
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Degen, JohannesUniversität Frankfurt, Frankfurt, Germanyhttps://orcid.org/0009-0007-9376-4470NICHT SPEZIFIZIERT
Baier, Bianca C.NOAA, Boulder, CO, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Jöckel, PatrickDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-8964-1394NICHT SPEZIFIZIERT
Menken, J. MoritzDLR, IPANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schuck, Tanja J.Universität Frankfurt, Frankfurt, Germanyhttps://orcid.org/0000-0002-1380-3684NICHT SPEZIFIZIERT
Sweeney, ColmNOAA, Boulder, CO, USAhttps://orcid.org/0000-0002-4517-0797NICHT SPEZIFIZIERT
Engel, AndreasUniversität Frankfurt, Frankfurt, Germanyhttps://orcid.org/0000-0003-0557-3935NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:17 November 2025
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:25
DOI:10.5194/acp-25-15741-2025
Seitenbereich:Seiten 15741-15763
Verlag:Copernicus Publications
ISSN:1680-7316
Status:veröffentlicht
Stichwörter:UTLS, CO2, variability, seasonal cycle, observations, CCM
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HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erdbeobachtung
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DLR - Forschungsgebiet:R EO - Erdbeobachtung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Atmosphären- und Klimaforschung
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Physik der Atmosphäre > Erdsystem-Modellierung
Hinterlegt von: Menken, Moritz
Hinterlegt am:18 Nov 2025 07:29
Letzte Änderung:18 Nov 2025 07:29

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