Investigating the impact of space weather on the polar atmosphere using rigorous statistical methods

Abstract

I de senere år har det vært en økning i observasjonsbaserte, re-analytiske og modellbaserte studier som viser korrelasjoner mellom dag-til-dag og år-til-år solaktivitet og klima-/vær-mønstre. Det overordnede målet med avhandlingen er å undersøke to solklima-mekanismer, den Kjemisk-Dynamiske koblingen og Mansurov-effekten. Den Kjemisk-Dynamiske koblingen er knyttet til ioniseringen av den øvre atmosfæren (¡50 km) som skjer ved energisk partikkelnedbør (EPP). Dette resulterer i produksjon av nitrogen- og hydrogenoksider (NOx og HOx). Disse molekylene bryter effektivt ned ozon, og kan derfor endre strålingsbalansen i atmosfæren, noe som igjen potensielt kan føre til en kaskadeeffekt av dynamisk induserte atmosfæriske værendringer i polaratmosfæren. Mansurov-effekten er knyttet til det interplanetariske magnetfeltet (IMF) og dets evne til å modulere den globale elektriske kretsen (GEC). Dette antas å videre påvirke den polare troposfæren gjennom å endre de fysiske prosessene bak dannelse og vekst av skyer. Effekten antas å være nesten umiddelbar, noe som gir en fysisk forbindelse mellom verdensrommet og den nedre del av Jordens atmosfære. Begge mekanismene har blitt studert ved hjelp av sofistikerte statistiske analysemetoder.

For den Kjemisk-Dynamiske koblingen, bruker vi SOCOL3-MPIOM-modellen for å sammenligne temperaturforskjeller i den nordlige atmosfæren i modellkjøringen med og uten EPP. Analysen bygger på en nylig studie som viser at EPP hovedsakelig påvirker den nordlige atmosfæriske temperaturen rett før og under forstyrrede forhold i den stratosfæriske polare jetstrøm. Vi finner svært signifikante temperaturresponser rett før hendelser karakterisert som små stratosfæriske oppvarminger, forhold assosiert med en svekket polar jetstrøm og økt bølgeaktivitet. De største temperaturforskjellene er synlig i februar, men bare for den siste halvdel (1955–2008) av simuleringsperioden (1900–2008). Funnene antyder at den Kjemisk-Dynamiske koblingen kan spille en avgjørende rolle i stratosfæriske forhold om vinteren og bekrefter eksistensen av den Kjemisk-Dynamiske koblingen i modellen.

Ved å bruke data fra OMNIweb og ERA5 re-analyse over tidsperioden 1968–2020, undersøkes forbindelsen mellom IMF By og polart atmosfærisk trykk på havnivå. I motsetning til tidligere publiserte studier om Mansurov-effekten, finner vi ingen signifikant respons etter å ha tatt hensyn til autokorrelasjon og kontrollert for falsk deteksjonsandel (false discovery rate). Tidligere studier har også fremhevet en 27-dagers syklisk trykkrespons i sine resultater som indirekte bevis for en fysisk forbindelse. Vi demonstrerer at denne periodiske trykkresponsen oppstår som et resultat av de statistiske metodene som er brukt, og kan derfor ikke brukes som en indikator på en fysisk sammenheng. Videre oppdages en hittil ukjent robust og statistisk signifikant korrelasjon mellom IMF By og polart atmosfærisk trykk ved havnivå. Korrelasjonen er tydelig i perioden mars-april-mai på begge halvkuler, men med en tilsynelatende ufysisk timing med hensyn til Mansurov-effekten. I alt fremhever resultatene det generelle behovet for grundig statistisk testing, samt behovet for varsomhet når man bruker spesifikke metoder sammen med periodiske og autokorrelerte variabler.

Recent years have seen a surge in observational, re-analysis, and model-based studies providing evidence of statistical correlations between day-to-day to interannual solar activity and climate/weather patterns. The overarching objective of this thesis is to delve into the theory of two solar-climate mechanisms, the Chemical-Dynamical coupling and the Mansurov effect. The Chemical-Dynamical coupling is linked to the ionization of the upper atmosphere (¡50 km) by energetic particle precipitation (EPP), resulting in the production of odd nitrogen and hydrogen oxides (NOx and HOx). These compounds are effective ozone depleters, and can alter the radiative balance of the atmosphere, potentially leading to a cascading effect in dynamically induced atmospheric weather changes observable in the polar atmosphere. The Mansurov effect is related to the interplanetary magnetic field (IMF) and its ability to modulate the global electric circuit (GEC), which is further assumed to impact the polar troposphere through cloud generation processes. It is hypothesised to occur nearly instantaneously, providing a physical link between near-Earth-space and the lower atmosphere. These topics will be studied with sophisticated statistical analysis methods.

For the Chemical-Dynamical coupling, we use the SOCOL3-MPIOM model to compare the northern polar atmospheric temperature differences in ensemble members with and without EPP. The analyses builds on recent re-analysis evidence showing that EPP mostly impacts the northern polar atmospheric temperature right before and during disturbed Polar Vortex (PV) conditions. We find highly significant temperature responses during conditions set up by minor Sudden Stratospheric Warmings (SSW), associated with disturbed polar vortex and enhanced planetary wave activity. The largest anomalies are seen in February, and only for the latter half (1955–2008) of the simulation period (1900–2008). The findings suggest that during winter, the Chemical-Dynamical coupling could play a crucial role in stratospheric conditions and confirms the existence of the chemical-dynamical link in the model.

By using ERA5 atmospheric re-analysis data and OMNIweb IMF data spanning 1968–2020, the connection between the IMF By and polar surface pressure is investigated. Contrary to prior published studies on the Mansurov effect, no significant response is found after accounting for autocorrelation and multiple hypothesis testing. In addition, prior studies highlight a 27-day cyclic pressure response as indirect evidence of a physical link. However, we show that this periodic pressure behaviour occurs as a statistical artefact of the methods, and is not a reliable indicator of a causal connection. Furthermore, a new robust and statistically significant correlation is determined between the IMF By and polar surface pressure. It is found in the time-period March-April-May for both hemispheres, but with an unphysical timing with respect to the Mansurov hypothesis. The analyses highlight the general need for rigorous statistical testing, as well as the need for caution when deploying certain methodologies with periodic and highly autocorrelated variables.