This thesis examines characteristics of the tropical cold-point tropopause (CPT)and associated dynamic mechanisms using observations, idealized model, and generalcirculation model simulations. Fine-scale structure of the CPT is investigated usingnewly available high-resolution temperature data. Then, the dynamic mechanism ofthe CPT formation is rigorously tested and examined using a dry primitive equationmodel under the framework of transformed Eulerian-mean. Finally, the characteristicsof the CPT are examined in the state-of-art climate models that participated inthe Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5). The current climatemodels' capability to reproduce the CPT features is evaluated and discussed.In the observational study, climatology, seasonal cycle, and intraseasonal variabilityof three CPT properties (temperature, pressure, and sharpness) are examinedusing high-resolution temperature profiles derived from COSMIC global positioningsystem (GPS) radio occultation (RO) measurements. The climatology obtained fromthe GPS RO data captures the characteristic structure of the CPT successfully. Thethree CPT properties show coherent seasonal cycle in the tropics that the CPT iscolder, higher (lower in pressure) and sharper in boreal winter compared to that inboreal summer. This seasonality is consistent with that of the large-scale tropopauseupwelling, which is largely driven by near-tropopause processes. The variability onintraseasonal timescales is more likely controlled by the tropical deep convectionand associated tropical waves. Particularly, intraseasonal variability of the CPTproperties shows clear signature of Kelvin waves, with a secondary contribution byMadden-Julian Oscillation in the deep tropics.The formation mechanism of the CPT is further investigated using a dry primitiveequation general circulation model with a simplified thermal forcing. The simpledynamic system reproduces a distinct cold level at the top of the tropical troposphere,which is analogous to the CPT in the real atmosphere. The modeled CPT is primarilymaintained by adiabatic cooling due to upwelling at the tropical tropopause,and synoptic-scale wave forcing in the subtropical lower stratosphere is found as theprimary driver of the upwelling. Further investigation on the evolution mechanismsuggests that the formation of the CPT is a part of balancing process between waveforcings and mean flow response in the tropics, and this is likely an important processthat decides the vertical extent of the subtropical jet in the lower stratosphere.The thermal characteristics of the CPT examined in CMIP5 models exhibitreasonable agreements with observations. Historical simulations successfully capturethe spatio-temporal structure of the CPT on annual and seasonal timescales. The interannualvariability associated with El Ni˜no Southern Oscillation and intraseasonalvariability associated with equatorial waves are also roughly reproduced. However,many of the models still have overall warm bias near the CPT and non-negligiblebiases in the amplitude of variability in intraseasonal to interannual timescales. Inthe future projections based on the Representative Concentration Pathway (RCP)8.5 scenario, the models predict robust warming both at the 100-hPa and zero-lapseratelevels (estimated CPT), but cooling at the 70-hPa level. A weakened seasonalcycle in the temperature is also found in most models at both the 100- and 70-hPalevels, which could have an important implication for the stratosphere-troposphereexchange and related climate variability. / Cette thèse examine les caractéristiques du point froid de la tropopause tropicale, "tropical cold-point tropopause" (CPT) et les mécanismes dynamiques associés en utilisant des observations, un modèle idéalisé ainsi qu'on model de circulation globale. La fine structure du CPT est évaluée en utilisant de nouvelles mesures de températures à haute résolution. Ensuite, les mécanismes dynamiques de la formation du CPT sont testées de manière rigoureuse et examinées en utilisant un model sec basé sur les équations primitives dans le cadre du "Transformed Eulerian Mean". Finalement, les caractéristiques du CPT sont examinées avec les modèles climatiques de pointe du "Coupled Model Intercomparions Project Phase 5" (CMIP5). La capacité actuelle de ces modèles de reproduire les caractéristiques du CPT sont par la suite évaluées.Dans l'étude observationnelle, la climatologie, le cycle saisonnier et la variabilité intra-saisonnière de trois propriétés du CPT (température, pression et finesse) sont examinées en utilisant des profils de température haute-résolution dérivés du system de mesure par radio occultation gps COSMIC. La climatologie obtenue par COSMIC capture la structure caractéristique du CPT avec succès. Les trois propriétés du CPT montrent une évolution saisonnière cohérente dans les tropiques : le CPT est plus haut, plus froid, et plus fin lors de l'hiver boréal compare à l'été boréal. Cette saisonnalité est consistante avec les mouvements verticaux de large échelle qui sont principalement générées par des procédés locaux à la tropopause. La variabilité intra saisonnière est plus vraisemblablement contrôlée par la convection tropicale profonde et les ondes tropicales associées. Particulièrement, la variabilité saisonnière du CPT montre clairement une signature d'onde Kelvin, avec une contribution secondaire de la Madden-Julian Oscillation dans les tropiques. Les mécanismes de formation du CPT sont par la suite évalués en utilisant un model basé sur les équations primitives avec un forçage thermal simplifie. Le système dynamique simple reproduit un niveau froid distinct au sommet de la troposphère tropicale, qui est analogue au CPT de l'atmosphère terrestre. Le CPT modelé est principalement maintenu par de refroidissement adiabatique par ascension à la tropopause tropicale. Le forçage par onde synoptiques dans la basse stratosphère subtropicale est le mécanisme dominant régissant ce refroidissement par ascension. Une évaluation plus poussée suggère que la formation du CPT fait partie d'un processus de stabilisation entre le forçage d'onde et la réponse de la circulation moyenne dans les tropiques et que ce processus est vraisemblablement important pour décider de l'étendue verticale du courant jet subtropical dans la basse stratosphère.Les caractéristiques thermales du CPT observées dans les modèles CMIP5 démontrent une correspondance raisonnable avec les observations. Les simulations historiques capturent avec succès la structure spatio-temporelle du CPT sur des bases annuelles et saisonnières. La variabilité interannuelle associée avec le « El Nino-Southern Oscillation» et la variabilité intra saisonnière associée avec les ondes équatoriales sont reproduites avec succès. Cependant, plusieurs des modèles présentent une erreur chaude près du CPT et des erreurs non-négligeables dans l'amplitude de la variabilité intra saisonnière et interannuelle. Dans la projection future basée dur le scenario « Representative Concentration Pathway » (RCP) 8.5, les modèles prédisent un réchauffement au niveau du CPT, mais un refroidissement à 70 hPa. Un cycle saisonnier de températures plus faible est aussi observé dans la plupart des modèles au niveau de 100 et 70 hPa, ce qui pourrait avoir des implications importantes pour les échanges stratosphère troposphère et la variabilité climatique associée.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.123213 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Kim, Joowan |
| Contributors | David N Straub (Supervisor1), Seok-Woo Son (Supervisor2) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Atmospheric and Oceanic Sciences) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically submitted theses |
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