Edwin P. Gerber - R ES E A R C H A R TI C L E U ncertai nty ......U ncertai nty i n t he Res p o nse...

U n c e rt ai nt y i n t h e R e s p o n s e of S u d d e n St r at o s p h e ri cW a r mi n g s a n d St r at o s p h e r e ‐T r o p o s p h e r e C o u pli n gt o Q u a d r u pl e d C O 2 C o n c e nt r ati o n si n C M I P 6 M o d el s

B. A y a r z a g ü e n a 1 , A. J. C h a rlt o n‐P e r e z 2 , A. H. B utl e r3 , P. Hit c h c o c k4 , I. R. Si m p s o n5 ,

L. M. P ol v a ni 6 , N. B ut c h a rt7 , E. P. G e r b e r8 , L. G r a y9 , B. H a s sl e r1 0 , P. Li n1 1 ,

F. L ott 1 2 , E. M a n zi ni1 3 , R. Mi z ut a1 4 , C. O r b e1 5 , S. O s p r e y9 , D. S ai nt‐M a rti n 1 6 ,

M. Si g m o n d 1 7 , M. T a g u c hi1 8 , E. M. V ol o di n1 9 , a n d S. W at a n a b e2 0

1 D e p art a m e nt o d e Físi c a d e l a Ti err a y Astr ofísi c a, U ni v ersi d a d C o m pl ut e ns e d e M a dri d, M a dri d, S p ai n, 2 D e p art m e nt of

M et e or ol o g y, U ni v ersit y of R e a di n g, R e a di n g, U K, 3 C o o p er ati v e I nstit ut e f or E n vir o n m e nt al S ci e n c es ( CI R E S)/ N ati o n al

O c e a ni c a n d At m os p h eri c A d mi nistr ati o n ( N O A A) C h e mi c al S ci e n c es Di visi o n, B o ul d er, C O, U S A, 4 D e p art m e nt of E art h

a n d At m os p h eri c S ci e n c es, C or n ell U ni v ersit y, It h a c a, N Y, U S A, 5 Cli m at e a n d Gl o b al D y n a mi cs L a b or at or y, N ati o n al

C e nt er f or At m os p h eri c R es e ar c h, B o ul d er, C O, U S A, 6 D e p art m e nt of A p pli e d P h ysi cs a n d A p pli e d M at h e m ati cs,

C ol u m bi a U ni v ersit y, N e w Y or k, N Y, U S A, 7 M et Of fi c e H a dl e y C e ntr e, E x et er, U K, 8 C o ur a nt I nstit ut e of M at h e m ati c al

S ci e n c es, N e w Y or k U ni v ersit y, N e w Y or k, N Y, U S A, 9 N C A S ‐Cli m at e, D e p art m e nt of P h ysi cs, U ni v ersit y of O xf or d,

O xf or d, U K, 1 0 D e uts c h es Z e ntr u m f ür L uft ‐u n d R a u mf a hrt ( D L R) O b er pf aff e n h of e n, W e ßli n g, G er m a n y, 1 1 At m os p h eri c

a n d O c e a ni c S ci e n c es Pr o gr a m, Pri n c et o n U ni v ersit y, Pri n c et o n, N J, U S A, 1 2 L a b or at oir e d e M ét é or ol o gi e D y n a mi q u e,

E c ol e N or m al e S u p éri e ur e, P aris, Fr a n c e, 1 3 M a x ‐Pl a n c k ‐I nstit ut f ür M et e or ol o gi e, H a m b ur g, G er m a n y, 1 4 M et e or ol o gi c al

R es e ar c h I nstit ut e, Ts u k u b a, J a p a n, 1 5 N A S A G o d d ar d I nstit ut e f or S p a c e St u di es, N e w Y or k, N Y, U S A, 1 6 C e ntr e N ati o n al

d e R e c h er c h es M ét é or ol o gi q u es ( C N R M), U ni v ersit é d e T o ul o us e, M ét é o ‐Fr a n c e, C N R S, T o ul o us e, Fr a n c e, 1 7 C a n a di a n

C e ntr e f or Cli m at e M o d elli n g a n d A n al ysis, E n vir o n m e nt a n d Cli m at e C h a n g e C a n a d a, Vi ct ori a, B C, C a n a d a,1 8 D e p art m e nt of E art h S ci e n c e, Ai c hi U ni v ersit y of E d u c ati o n, K ari y a, J a p a n, 1 9 M ar c h u k I nstit ut e of N u m eri c al

M at h e m ati cs, M os c o w, R ussi a, 2 0 J a p a n A g e n c y f or M ari n e ‐E art h S ci e n c e a n d T e c h n ol o g y ( J A M S T E C), Y o k o h a m a, J a p a n

A b st r a ct M aj or s u d d e n str at os p h eri c w ar mi n gs ( S S Ws), v ort e x f or m ati o n, a n d fi n al br e a k d o w n d at es

ar e k e y hi g hli g ht p oi nts of t h e str at os p h eri c p ol ar v ort e x. T h es e p h e n o m e n a ar e r el e v a nt f or

str at os p h er e ‐tr o p os p h er e c o u pli n g, w hi c h e x pl ai ns t h e i nt er est i n u n d erst a n di n g t h eir f ut ur e c h a n g es.

H o w e v er, u p t o n o w, t h er e is n ot a cl e ar c o ns e ns us o n w hi c h pr oj e ct e d c h a n g es t o t h e p ol ar v ort e x ar e

r o b ust, p arti c ul arl y i n t h e N ort h er n H e mis p h er e, p ossi bl y d u e t o s h ort d at a r e c or d or r el ati v el y m o d er at e

C O 2 f or ci n g. T h e n e w si m ul ati o ns p erf or m e d u n d er t h e C o u pl e d M o d el I nt er c o m p aris o n Pr oj e ct,

P h as e 6, t o g et h er wit h t h e l o n g d ail y d at a r e q uir e m e nts of t h e D y n V ar MI P pr oj e ct i n pr ei n d ustri al a n d

q u a dr u pl e d C O 2 ( 4 x C O2 ) f or ci n g si m ul ati o ns pr o vi d e a n e w o p p ort u nit y t o r e visit t his t o pi c b y

o v er c o mi n g t h e li mit ati o ns m e nti o n e d a b o v e. I n t his st u d y, w e a n al y z e t his n e w m o d el o ut p ut t o

d o c u m e nt t h e c h a n g e, if a n y, i n t h e fr e q u e n c y of S S Ws u n d er 4 x C O 2 f or ci n g. O ur a n al ysis r e v e als a l ar g e

dis a gr e e m e nt a cr oss t h e m o d els as t o t h e si g n of t his c h a n g e, e v e n t h o u g h m ost m o d els s h o w a

st atisti c all y si g ni fi c a nt c h a n g e. As f or t h e n e ar ‐s urf a c e r es p o ns e t o S S Ws, t h e m o d els, h o w e v er, ar e i n

g o o d a gr e e m e nt as t o t his si g n al o v er t h e N ort h Atl a nti c: T h er e is n o i n di c ati o n of a c h a n g e u n d er 4 x C O 2

f or ci n g. O v er t h e P a cifi c, h o w e v er, t h e c h a n g e is m or e u n c ert ai n, wit h s o m e i n di c ati o n t h at t h er e will

b e a l ar g er m e a n r es p o ns e. Fi n all y, t h e m o d els s h o w r o b ust c h a n g es t o t h e s e as o n al c y cl e i n t h e

str at os p h er e. S p e ci fi c all y, w e fi n d a l o n g er d ur ati o n of t h e str at os p h eri c p ol ar v ort e x a n d t h us a l o n g er

s e as o n of str at os p h er e ‐tr o p os p h er e c o u pli n g.

1. I nt r o d u cti o n

T h e str at os p h eri c p ol ar v ort e x is a str o n g wi nt erti m e cir c u m p ol ar c y cl o ni c cir c ul ati o n t h at is ol at es t h e p ol ar

air m ass es fr o m air i n t h e l o w er l atit u d es ( A n dr e ws et al., 1 9 8 7). T h e str at os p h eri c p ol ar v ort e x f or ms i n

A ut u m n as s ol ar h e ati n g v a nis h es at t h e p ol e, est a blis hi n g str o n g m eri di o n al t e m p er at ur e gr a di e nts. T h e

v ort e x i nt e nsi fi es d uri n g wi nt er a n d t h e n d e c a ys i n s pri n g as s u nli g ht r et ur ns t o hi g h l atit u d es. T h e s pri n g-

ti m e br e a k d o w n of t h e v ort e x, w h e n t h e z o n al wi n ds r e v ert t o e ast erli es, is als o k n o w n as t h e str at os p h eri c

fi n al w ar mi n g ( S F W).

© 2 0 2 0. A m eri c a n G e o p h ysi c al U ni o n

a n d Cr o w n c o p yri g ht. All Ri g hts

R es er v e d.

T his arti cl e is p u blis h e d wit h t h e p er-

missi o n of t h e C o ntr oll er of H M S O a n d

t h e Q u e e n's Pri nt er f or S c otl a n d.

R E S E A R C H A R T I C L E1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 J D 0 3 2 3 4 5

K e y P oi nt s:

• T h e tr o p os p h eri c si g n al of s u d d e n

str at os p h eri c w ar mi n g ( S S Ws) i n t h e

N ort h Atl a nti c d o es n ot c h a n g e

u n d er 4 x C O 2 f or ci n g

• T h er e is hi g h u n c ert ai nt y i n c h a n g es

of S S W fr e q u e n c y u n d er 4 x C O 2

f or ci n g; si n gl e m o d els s h o w t h e r at e

t o b e si g nifi c a ntl y h al v e d or d o u bl e d

• T h e b or e al p ol ar v ort e x will f or m

e arli er a n d dis a p p e ar l at er u n d er

i n cr e as e d C O2 , e xt e n di n g t h e s e as o n

of str at os p h er e ‐tr o p os p h er e

c o u pli n g

S u p p o rti n g I nf o r m ati o n:

• S u p p orti n g I nf or m ati o n S 1

C o r r e s p o n d e n c e t o:

B. A y ar z a g ü e n a,

b a y ar z a g @ u c m. es

Cit ati o n:

A y ar z a g ü e n a, B., C h arlt o n ‐P er e z, A. J.,

B utl er, A. H., Hit c h c o c k, P., Si m ps o n, I.

R., P ol v a ni, L. M., et al. ( 2 0 2 0).

U n c ert ai nt y i n t h e r es p o n s e of s u d d e n

str at os p h eri c w ar mi n gs a n d

str at os p h er e ‐tr o p os p h er e c o u pli n g t o

q u a dr u pl e d C O 2 c o n c e ntr ati o ns i n

C MI P 6 m o d els. J o ur n al of G e o p h ysi c al

R es e ar c h: At m os p h er es , 1 2 5 ,

e 2 0 1 9 J D 0 3 2 3 4 5. htt ps:// d oi. or g/

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 J D 0 3 2 3 4 5

R e c ei v e d 3 0 D E C 2 0 1 9

A c c e pt e d 2 6 F E B 2 0 2 0

A c c e pt e d arti cl e o nli n e 2 8 F E B 2 0 2 0

A Y A R Z A G Ü E N A E T A L. 1 of 2 1

https://orcid.org/0000-0003-3959-5673

https://orcid.org/0000-0001-8179-6220

https://orcid.org/0000-0002-3632-0925

https://orcid.org/0000-0001-8993-3808

https://orcid.org/0000-0002-2915-1377

https://orcid.org/0000-0003-4775-8110

https://orcid.org/0000-0002-4993-7262

https://orcid.org/0000-0002-6010-6638

https://orcid.org/0000-0002-7803-9277

https://orcid.org/0000-0003-2724-709X

https://orcid.org/0000-0003-2577-6094

https://orcid.org/0000-0003-2126-5510

https://orcid.org/0000-0002-9405-7838

https://orcid.org/0000-0003-4130-9189

https://orcid.org/0000-0002-5344-3599

https://orcid.org/0000-0002-8751-1211

https://orcid.org/0000-0002-8478-6914

https://orcid.org/0000-0003-2191-9756

https://orcid.org/0000-0001-5111-0646

https://orcid.org/0000-0003-1073-7287

https://orcid.org/0000-0002-2228-0088

https://doi.org/10.1029/2019JD032345

https://doi.org/10.1029/2019JD032345

http://dx.doi.org/10.1029/2019JD032345

http://dx.doi.org/10.1029/2019JD032345

http://dx.doi.org/10.1029/2019JD032345

mailto:[email protected]

https://doi.org/10.1029/2019JD032345

https://doi.org/10.1029/2019JD032345

http://publications.agu.org/journals/

http://crossmark.crossref.org/dialog/?doi=10.1029%2F2019JD032345&domain=pdf&date_stamp=2020-03-19

I nt er est i n t h e p ol ar v ort e x h as i n cr e as e d i n t h e l ast d e c a d es f or t w o diff er e nt r e as o ns. First, t h e m a g nit u d e of

t h e A nt ar cti c o z o n e h ol e is d e p e n d e nt o n t h e st at e of t h e p ol ar v ort e x, as a str o n g p ol ar v ort e x is ass o ci at e d

wit h c ol d er t e m p er at ur es ( cr u ci al f or h et er o g e n e o us o z o n e c h e mistr y) a n d r e d u c e d mi xi n g wit h o z o n e ‐ri c h

mi dl atit u d e air ( S c h o e b erl & H art m a n n, 1 9 9 1). S e c o n d, p ol ar str at os p h eri c v ari a bilit y is k n o w n t o aff e ct n ot

o nl y t h e str at os p h er e b ut als o t h e tr o p os p h er e, t y pi c all y pr oj e cti n g o nt o A n n ul ar M o d e p att er ns ( e. g.,

B al d wi n & D u n k ert o n, 2 0 0 1 ; Ki dst o n et al., 2 0 1 5). P ol ar str at os p h eri c v ari a bilit y p e a ks i n t h e wi nt er h e mi-

s p h er e w h e n t h e p ol ar v ort e x is pr es e nt, as a m aj or s o ur c e of str at os p h eri c v ari a bilit y is u p w ar d pr o p a g ati n g,

pl a n et ar y ‐s c al e R oss b y w a v es fr o m t h e tr o p os p h er e b el o w ( C h ar n e y & Dr a zi n, 1 9 6 1). U n d er li n e ar t h e or y,

t h e v erti c al pr o p a g ati o n of R oss b y w a v es is li mit e d t o r e gi o ns wit h w est erl y wi n ds ( A n dr e ws et al., 1 9 8 7).

F urt h er m or e, b e c a us e w a v e a cti vit y is gr e at er i n t h e N ort h er n H e mis p h er e ( N H) t h a n i n t h e S o ut h er n

H e mis p h er e ( S H), s o is t h e p ol ar str at os p h eri c v ari a bilit y. I n t h e S H, str at os p h eri c v ari a bilit y, a n d t h us

t h e c o u pli n g t o t h e tr o p os p h er e, is m ai nl y ass o ci at e d wit h S F W ( Bl a c k & M c D a ni el, 2 0 0 7). I n t h e N H a p art

fr o m S F Ws ( A y ar z a g ü e n a & S err a n o, 2 0 0 9; Bl a c k et al., 2 0 0 6; H ar di m a n et al., 2 0 1 1), t his c o u pli n g is pri m ar-

il y ass o ci at e d wit h p ol ar v ort e x e xtr e m es, i n p arti c ul ar, m aj or s u d d e n str at os p h eri c w ar mi n gs ( S S Ws). S S Ws

h a p p e n i n mi d wi nt er a n d c o nsist i n a r e v ers al of wi nt erti m e p ol ar str at os p h eri c cir c ul ati o n wit h a s u bs e-

q u e nt r e c o v er y of t h e p ol ar v ort e x aft er t h e e v e nt. T h e tr o p os p h eri c si g n al of S S Ws c a n p ersist f or u p t o

2 m o nt hs aft er t h e o c c urr e n c e of e a c h e v e nt ( C h arlt o n & P ol v a ni, 2 0 0 7). Alt h o u g h t h e e x a ct m e c h a nis m

f or t his d o w n w ar d i nfl u e n c e is still u n cl e ar, diff er e nt h y p ot h esis h a v e b e e n pr es e nt e d i n t h e lit er at ur e s u c h

as w a v e r e fl e cti o n, d o w n w ar d c o ntr ol, or r es p o ns es t o str at os p h eri c r e distri b uti o ns of p ot e nti al v orti cit y,

a m o n g ot h ers ( S o n g & R o bi ns o n, 2 0 0 4, a n d r ef er e n c es h er ei n). I n m ost of t h es e t h e ori es, t h e r ol e of t h e cir-

c ul ati o n a n o m ali es of t h e l o w er str at os p h er e w as f o u n d t o b e e xtr e m el y i m p ort a nt t o d e fi n e t h e i m p a ct o n

t h e tr o p os p h er e. I n d e e d, r e c e ntl y, Hit c h c o c k et al. ( 2 0 1 3) d efi n e d a s u bs et of S S Ws, c all e d P ol ar ‐ni g ht J et

Os cill ati o n e v e nts ( P J Os), w hi c h ar e c h ar a ct eri z e d b y a v er y p ersist e nt w ar m p ol ar l o w er str at os p h er e a n d

w h os e si g n al i n t h e tr o p os p h er e is p arti c ul arl y str o n g a n d p ersist e nt t o o.

T h e i m p ort a n c e of p ol ar v ort e x v ari a bilit y f or b ot h at m os p h eri c d y n a mi cs a n d o z o n e c h e mistr y h as s p urr e d

c o nsi d er a bl e eff orts i n i d e ntif yi n g if a n d h o w t h e str at os p h eri c p ol ar v ort e x mi g ht r es p o n d t o i n cr e asi n g

gr e e n h o us e g as es ( G H Gs). W hil e s e v er al st u di es h a v e b e e n d e v ot e d t o t his q u esti o n, t h er e is n ot c o ns e ns us

at t his ti m e o n w hi c h pr oj e ct e d c h a n g es t o t h e p ol ar v ort e x ar e r o b ust. H er e, a n d t hr o u g h o ut t h e p a p er, w e

us e t h e w or d r o b ust t o m e a n a str o n g a gr e e m e nt a cr oss m a n y m o d els as t o t h e si z e a n d a m plit u d e of t h e

c h a n g es t o t h e str at os p h eri c p ol ar v ort e x u n d er i n cr e as e d G H G. T o off er a tri vi al e x a m pl e, a t w o ‐m o d el

e ns e m bl e i n w hi c h o n e m o d el pr e di ct e d a h al vi n g of S S W fr e q u e n c y a n d t h e ot h er m o d el pr e di ct e d a d o u-

bli n g of S S W fr e q u e n c y w o ul d n ot r e pr es e nt a r o b ust pr e di cti o n of f ut ur e c h a n g es, alt h o u g h b ot h t h es e

c h a n g es mi g ht b e st atisti c all y si g ni fi c a nt i n e a c h m o d el. O n t h e c o ntr ar y, if o n e m o d el pr e di ct e d a si g ni fi c a nt

i n cr e as e of S S W fr e q u e n c y b y a f a ct or of 2. 5 a n d t h e ot h er b y a f a ct or of 2, w e w o ul d r e g ar d t his as a

r o b ust pr e di cti o n.

E arl y st u di es usi n g si m pl e m o d els d e m o nstr at e d p ol ar str at os p h eri c c o oli n g u n d er i n cr e as e d G H G f or ci n g

( F els et al., 1 9 8 0; M a n a b e & W et h erl a n d, 1 9 6 7). Gl o b al at m os p h eri c m o d eli n g w or k i n t h e 1 9 9 0s ( wit h pr e-

s cri b e d c h a n g es i n s e a s urf a c e t e m p er at ur es) pr oj e ct e d a b or e al p ol ar w ar mi n g i n wi nt er b ut n o c o ns e ns us

o n t h e c h a n g es i n t h e n u m b er of S S Ws ( B ut c h art et al., 2 0 0 0; M a hf o uf et al., 1 9 9 4; Ri n d et al., 1 9 9 0; Ri n d

et al., 1 9 9 8). M or e o v er, aft er d e c a d es of i m pr o v e m e nt i n m o d eli n g t h e str at os p h er e, a cl e ar c o ns e ns us a b o ut

f ut ur e c h a n g es t o t h e p ol ar v ort e x is still missi n g. F or i nst a n c e, o n e c a n fi n d i n t h e lit er at ur e a n u m b er of

si n gl e‐m o d el st u di es t h at r e p ort a si g ni fi c a nt i n cr e as e i n t h e fr e q u e n c y of S S Ws i n t h e f ut ur e ( C h arlt o n ‐

P ér e z et al., 2 0 0 8; B ell et al., 2 0 1 0), w hil e ot h er st u di es r e p ort a n o nst atisti c all y si g ni fi c a nt i n cr e as e ( e. g.,

A y ar z a g ü e n a et al., 2 0 1 3; Mit c h ell, Os pr e y, et al., 2 0 1 2) a n d ot h ers n o si g ni fi c a nt c h a n g e i n S S W fr e q u e n c y

at all ( K ar p e c h k o & M a n zi ni, 2 0 1 2; M c L a n dr ess & S h e p h er d, 2 0 0 9; S c aif e et al., 2 0 1 2). M ulti m o d el i nt er c o m-

p aris o ns of C h e mistr y Cli m at e M o d el V ali d ati o n ( C C M V al) a n d C o u pl e d M o d el I nt er c o m p aris o n Pr oj e ct 5

( C MI P 5) m o d els h a v e r e p ort e d l ar g e dis cr e p a n ci es i n t h e si g n of c h a n g e a m o n g m o d els ( Ki m et al., 2 0 1 7;

Mit c h ell, C h arlt o n ‐P er e z, et al., 2 0 1 2).

R e c e ntl y, A y ar z a g ü e n a et al. ( 2 0 1 8) r e visit e d t his t o pi c, tr yi n g t o o v er c o m e s o m e of t h e iss u es s u g g est e d i n

t h e lit er at ur e as p ot e nti al r e as o ns f or t his dis a gr e e m e nt, s u c h as t h e us e of o n e si n gl e m o d el i n t h e a n al ysis

or t h e d e p e n d e n c e of r es ults o n t h e S S W i d e nti fi c ati o n crit eri o n. T h e y a n al y z e d 1 2 diff er e nt m o d els p arti ci-

p ati n g i n t h e C h e mistr y Cli m at e M o d el I niti ati v e ( C C MI) a n d a p pli e d s e v er al diff er e nt ( a bs ol ut e a n d r el a-

ti v e) crit eri a f or t h e i d e ntifi c ati o n of S S Ws. T h e o ut c o m e w as a g ai n a l a c k of a si g ni fi c a nt c h a n g e i n S S Ws

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 J D 0 3 2 3 4 5J o u r n al of G e o p h y si c al R e s e a r c h: At m o s p h e r e s


fr e q u e n c y i n t h e f ut ur e, alt h o u g h m ost of t h e m o d els pr e di ct e d a sli g ht i n cr e as e i n t h e fr e q u e n c y of t h es e,

r e g ar dl ess of t h e S S W i d e nti fi c ati o n al g orit h m. O n e mi g ht ar g u e, h o w e v er, t h at t h e li mit e d d at a r e c or d a v ail-

a bl e ( 4 0 y e ars i n e a c h p eri o d of st u d y), a n d t h e r el ati v el y m o d er at e G H G f or ci n g us e d i n t h e c e ntr al C C MI

s c e n ari o ( R e pr es e nt ati v e C o n c e ntr ati o n P at h w a y 6. 0, R C P 6. 0), mi g ht b e i ns uf fi ci e nt t o d et e ct si g ni fi c a nt

c h a n g es i n S S Ws i n t h os e si m ul ati o ns.

T h e n e w C MI P 6 m o d el g e n er ati o n t o g et h er wit h t h e s p e ci al d at a r e q uir e m e nts of t h e D y n V ar MI P pr oj e ct

( G er b er & M a n zi ni, 2 0 1 6) pr o vi d es a n e w o p p ort u nit y t o r e visit t h e q u esti o n of t h e eff e cts of i n cr e asi n g

C O 2 o n t h e i nt er a n n u al v ari a bilit y of t h e str at os p h eri c p ol ar v ort e x. T h e v er y l o n g d ail y d at a r e c or d at str at o-

s p h eri c l e v els of t h e Di a g n osti c, E v al u ati o n, a n d C h ar a ct eri z ati o n of Kli m a ( D E C K) e x p eri m e nts all o ws us,

f or t h e fi rst ti m e, t o tr y t o is ol at e f or c e d c h a n g es i n str at os p h eri c v ari a bilit y i n a l ar g er e ns e m bl e of hi g h ‐t o p

m o d els t h a n p ossi bl e pr e vi o usl y ( E yri n g et al., 2 0 1 6). S p e ci fi c all y, o n e of t h es e D E C K si m ul ati o ns c o nsists of

a v er y hi g h C O 2 f or ci n g ( a br u pt 4 x C O2 ), e n a bli n g t h e e x pl or ati o n of c h a n g es i n t h e v ort e x v ari a bilit y u n d er

a n e xtr e m e f ut ur e s c e n ari o. F urt h er m or e, t h e d ail y o ut p ut of t h e 1 p ct C O 2 si m ul ati o n wit h a gr a d u al i n cr e as e

of C O 2 all o ws us t o i n v esti g at e t h e ti m e of e m er g e n c e of S S W c h a n g es.

T h e g o al of t his st u d y is t o a n al y z e t h e p ot e nti al c h a n g es i n t h e i nt er a n n u al v ari a bilit y of t h e p ol ar v ort e x d u e

t o i n cr e asi n g C O2 c o n c e ntr ati o ns, as si m ul at e d b y C MI P 6 m o d els. A p art fr o m t h e m e nti o n e d n e w p ossi bili-

ti es o p e n e d u p b y t h e a v ail a bilit y of C MI P 6 d at a, w e h a v e als o e x a mi n e d ot h er c h ar a ct eristi cs t h at ar e r el e-

v a nt f or t h e str at os p h er e ‐tr o p os p h er e c o u pli n g s u c h as t h e s e as o n al c y cl e of t h e p ol ar v ort e x, t h at is,

f or m ati o n a n d fi n al br e a k d o w n, i n b ot h h e mis p h er es, as w ell as c h a n g es i n str at os p h er e ‐tr o p os p h er e c o u-

pli n g d uri n g S S Ws, gi v e n t h e i m p ort a n c e of t h es e as p e cts f or tr o p os p h eri c i m p a cts a n d pr e di ct a bilit y.

H o w e v er, w e d o n ot ai m h er e t o f ull y di a g n os e str at os p h eri c v ari a bilit y i n t h e C MI P 6 m o d els n or t o e x pl ai n

i n d et ail w h y m o d els diff er i n t h eir esti m at es of t h e s e nsiti vit y of t h e str at os p h eri c p ol ar v ort e x t o C O2 f or-

ci n g. I nst e a d, w e si m pl y ai m t o pr o vi d e a ti m el y, q u a ntit ati v e esti m at e of h o w str at os p h eri c v ari a bilit y mi g ht

c h a n g e u n d er C O 2 f or ci n g si n c e t his i nf or m ati o n is of criti c al i m p ort a n c e t o t h e u p c o mi n g

I nt er g o v er n m e nt al P a n el o n Cli m at e C h a n g e (I P C C) A R 6 r e p ort a n d f or f ut ur e w or k o n t h e str at os p h er e

i n C MI P 6 m o d els.

2. D at a a n d M et h o d ol o g y

2. 1. D at a

I n t his st u d y w e a n al y z e t h e d ail y o ut p ut of D E C K si m ul ati o ns b y 1 2 C MI P 6 m o d els p arti ci p ati n g i n t h e

D y n V ar MI P i niti ati v e ( T a bl e 1). All t h e m o d els ar e c o u pl e d t o a n o c e a n a n d s e a i c e m o d el, a n d m ost ( 8

o ut of 1 2) ar e “ hi g h ‐t o p” m o d els, d e fi n e d b y h a vi n g a m o d el t o p at or a b o v e 0. 1 h P a as i n D o m eis e n et al.

( 2 0 1 9). A pri ori, w e e x p e ct t h e hi g h‐t o p m o d els t o h a v e m or e r e alisti c p ol ar str at os p h eri c v ari a bilit y a n d, c o n-

s e q u e ntl y, t o b ett er si m ul at e S S Ws, a n d t h eir fr e q u e n c y a n d s urf a c e i m p a cts, t h a n l o w ‐t o p m o d els ( C h arlt o n‐

P ér e z et al., 2 0 1 3). F or t h e C MI P 6 e ns e m bl e, t h er e is a m u c h l ar g er n u m b er of m o d els t h at h a v e a hi g h m o d el

t o p t h a n i n t h e pr e vi o us C MI P 5 e ns e m bl e. I n or d er t o m a k e s ur e o ur m o d el s a m pl e is u n bi as e d, o nl y a si n gl e

m e m b er of e a c h m o d el e ns e m bl e is a n al y z e d h er e; d et ails ar e s h o w n i n T a bl e 1.

W e f o c us o n f o ur D E C K e x p eri m e nts ( E yri n g et al., 2 0 1 6), e a c h of t h e m us e d f or diff er e nt p ur p os es. T h e his-

t ori c al r u n is e m pl o y e d f or m o d el v ali d ati o n: W e c o m p ar e t h e si m ul at e d S S W fr e q u e n c y, i nt e nsit y, a n d s e a-

s o n alit y t o t h e v al u es o bt ai n e d fr o m t h e J R A ‐5 5 r e a n al ysis ( K o b a y as hi et al., 2 0 1 5). I n f a ct, w e h a v e

s p e cifi c all y r estri ct e d t h e a n al ysis p eri o d t o 1 9 5 8 – 2 0 1 4 t o p erf or m a ri g or o us q u a ntit ati v e c o m p aris o n wit h

J R A ‐5 5. T his r e a n al ysis s h o ws a v er y g o o d p erf or m a n c e i n r e pr es e nti n g S S Ws ( A y ar z a g ü e n a et al., 2 0 1 9)

a n d is t h e m ost m o d er n r e a n al ys es of t h e t hr e e t h at e xt e n d l o n g er t h a n t h e s at ellit e er a a n d assi mil at e m or e

t h a n s urf a c e d at a ( E R A‐4 0, N C E P/ N C A R r e a n al ysis, a n d J R A ‐5 5).

T h e pr ei n d ustri al C o ntr ol ( pi C o ntr ol) e x p eri m e nt is us e d f or t w o p ur p os es. Si n c e it c o nt ai ns a v er y l o n g d at a

r e c or d ( m or e t h a n 4 5 0 y e ars f or m ost of t h e m o d els; T a bl e 1), it is us e d t o c h ar a ct eri z e b ot h t h e b as eli n e esti-

m at es of S S W fr e q u e n c y a n d i nt e nsit y a n d t o c h ar a ct eri z e i nt er n al at m os p h eri c v ari a bilit y i n S S W fr e q u e n c y

a n d tr e n ds.

T h e a br u pt 4 x C O 2 a n d 1 p ct C O 2 r u ns ar e us e d t o e x a mi n e t h e i m p a ct of C O 2 f or ci n g o n S S W pr o p erti es. B ot h

si m ul ati o ns e xt e n d 1 5 0 y e ars ( e x c e pt f or t h e a br u pt 4 x C O 2 i n I P S L‐C M 6 A ‐L R, w hi c h is 9 0 0 y e ars l o n g, a n d

GI S S ‐E 2. 2 A P, w hi c h c o nt ai ns 8 1 y e ars). All f or ci n gs i n t h e a br u pt 4 x C O 2 si m ul ati o ns ar e i d e nti c al t o t h os e



i n t h e pi C o ntr ol r u n, e x c e pt f or t h e C O2 c o n c e ntr ati o ns, w hi c h ar e a br u ptl y q u a dr u pl e d fr o m pi C o ntr ol

l e v els, a n d t h e n ar e h el d c o nst a nt t hr o u g h o ut t h e e ntir e l e n gt h of t h e si m ul ati o n ( E yri n g et al., 2 0 1 6). T h e

l ar g e a n d c o nst a nt f or ci n g i n t h e a br u pt 4 x C O2 m a k es it p ossi bl e t o is ol at e r o b ust c h a n g es, if a n y, t o t h e

si z e a n d n at ur e of c h a n g es t o S S W pr o p erti es. I n t h e 1 p ct C O 2 si m ul ati o n, t h e C O 2 c o n c e ntr ati o n st arts at

pr ei n d ustri al l e v els a n d is i n cr e as e d at t h e r at e of 1 % p er y e ar. T his si m ul ati o n is us e d t o esti m at e t h e r at e

at w hi c h S S W fr e q u e n c y mi g ht c h a n g e i n t h e f ut ur e ( o n e as p e ct of t h e s o ‐c all e d “ d y n a mi c al s e nsiti vit y ” of

t h e str at os p h er e; Gris e & P ol v a ni, 2 0 1 6).

A n o m ali es ar e d e fi n e d as t h e d e p art ur e fr o m t h e d ail y e v ol vi n g a n n u al c y cl e of e a c h r es p e cti v e m o d el. I n t h e

pi C o ntr ol r u n, t h e cli m at ol o g y is b as e d o n t h e w h ol e p eri o d, w hil e i n t h e hist ori c al r u n, o nl y t h e 1 9 7 9 – 2 0 1 4

is c o nsi d er e d f or c al c ul ati n g t h e cli m at ol o g y. I n t h e a br u pt 4 x C O2 r u ns, a tr e n d is i d e ntifi e d i n s o m e v ari a bl es

d uri n g t h e fi rst 5 0 y e ars f oll o wi n g t h e s wit c h ‐o n of t h e f or ci n g. T o a v oi d t his tr e n d, t h e cli m at ol o gi es ar e

c o m p ut e d aft er o mitti n g t h e fi rst 7 5 y e ars e x c e pt f or I P S L ‐C M 6 A ‐L R w h er e w e o mit t h e fi rst 3 0 0 y e ars,

b ut w e k e e p t h e f oll o wi n g 6 0 0 y e ars. A si mil ar o missi o n of d at a is p erf or m e d f or t h e a n al ysis of S F W or v or-

t e x f or m ati o n d at es. I n c o ntr ast, t h e f ull a br u pt 4 x C O2 is c o nsi d er e d w h e n l o o ki n g at S S W fr e q u e n c y as n o

tr e n d is d et e ct a bl e i n t h e o c c urr e n c e of t h es e p h e n o m e n a.

2. 2. M et h o d s

T h er e h as r e c e ntl y b e e n a c o nsi d er a bl e dis c ussi o n i n t h e lit er at ur e as t o w hi c h m etri cs b est c h ar a ct eri z e t h e

v ari a bilit y of t h e str at os p h eri c p ol ar v ort e x, i n p arti c ul ar, e xtr e m e v ort e x w e a k e ni n g e v e nts ( B utl er et al.,

2 0 1 5; B utl er & G er b er, 2 0 1 8). H o w e v er, i n a r e c e nt st u d y, A y ar z a g ü e n a et al. ( 2 0 1 8) f o u n d littl e d e p e n d e n c e

o n t h e c h oi c e of m etri cs i n t er ms of d o c u m e nti n g f ut ur e c h a n g es i n S S Ws. T h us, w e h er e f o c us o nl y o n a f e w,

wi d el y us e d a n d e asil y i m pl e m e nti n g m etri cs of str at os p h eri c v ari a bilit y. F ut ur e w or k will li k el y b e a bl e t o

e x pl or e str at os p h eri c v ari a bilit y i n m or e d et ail a n d p ossi bl y r e v e al s u btl eti es i n c h a n g es t o str at os p h eri c cir-

c ul ati o n n ot a p p ar e nt i n o ur i niti al a n al ysis. F urt h er m or e, f o c usi n g o n c o m m o nl y us e d di a g n osti cs all o ws us

t o pl a c e o ur w or k i n t h e c o nt e xt of pr e vi o usl y p u blis h e d st u di es o n c h a n g es i n, f or e x a m pl e, S S W fr e q u e n c y.

S e v er al as p e cts of t h e str at os p h eri c p ol ar v ort e x (f or m ati o n, fi n al br e a k d o w n, a n d v ari a bilit y) ar e a n al y z e d

usi n g t h e z o n al m e a n z o n al wi n d at 6 0 ° N a n d 1 0 h P a ( u 6 0 N 1 0 h P a ) f or t h e N H a n d 6 0 ° S a n d 1 0 h P a f or t h e S H.

T a bl e 1

List of M o d els I n cl u d e d i n t h e A n al ysis I n di c ati n g T h eir R es ol uti o n a n d t h e E ns e m bl e M e m b ers C o nsi d er e d i n Si m ul ati o ns (r Xi X p Xf X: W h er e r C orr es p o n dst o R e ali z ati o n, i t o I niti ali z ati o n, p t o P h ysi cs, a n d f t o F or ci n g)

M o d els M o d el r es ol uti o n E ns e m bl e m e m b ersI nt er n all y

g e n er at e d Q B ONr. of y e ars

pi C o ntr ol r u nEff e cti v e cli m at es e nsiti vit y ( K)

C a n E S M 5 ( S w art et al.,

2 0 1 9 a, 2 0 1 9 b)

T 6 3 L 4 9, t o p 1 h P a r 1i 1 p 2f 1 N o 4 5 0 5. 5 9

C E S M 2 ( D a n a b as o gl u et al., 2 0 1 9, 2 0 2 0) 1 ° × 1 ° L 3 2, t o p 4 0 k m r 1i 1 p 1f 1 N o 1, 2 0 0 5. 1 2C E S M 2 ‐W A C C M ( D a n a b as o gl u, 2 0 1 9;

G ett el m a n et al., 2 0 1 9)

1 ° × 1 ° L 7 0, t o p 1 5 0 k m r 1i 1 p 1f 1 Y es 5 0 0 4. 6 1

C N R M ‐E S M 2 ‐1 ( S éf éri a n, 2 0 1 8;

S éf éri a n et al., 2 0 1 9)

Tl 1 2 7 L 9 1, t o p 0. 0 1 h P a r 1i 1 p 1f 2 Y es 5 0 0 4. 6 6

G F D L ‐C M 4 ( G u o et al., 2 0 1 8; H el d et al., 2 0 1 9) C 9 6 L 3 3, t o p 1 h P a r 1i 1 p 1f 1 N o 1 4 0 3. 8 4GI S S ‐E 2. 2 A P ( N A S A G o d d ar d I nstit ut e f or

S p a c e St u di es ( N A S A/ GI S S), 2 0 1 8)

2 ° × 2. 5 °, t o p 0. 0 0 2 h P a r 1i 1 p 1f 1 Y es 8 1 2. 1

H a d G E M 3 ‐G C 3 1 ‐L L ( R o b erts, 2 0 1 7;Willi a ms et al., 2 0 1 8)

N 2 6 1 L 8 5, t o p 8 5 k m r 1i 1 p 1f 3 e x c e pt f orpi C o ntr ol r u n: r 1i 1 p 1f 1

Y es 5 0 0 5. 4 1

I N M‐C M 5 ‐0 ( V ol o di n et al., 2 0 1 7) 2 ° × 1. 5 º L 7 3, t o p 0. 2 h P a r 1i 1 p 1f 1 Y es 1 5 4 2. 1I P S L‐C M 6 A ‐L R ( B o u c h er et al., 2 0 1 8) N 9 6, t o p 8 0 k m r 1i 1 p 1f 1 Y es 1, 2 0 0 4. 4 9

MI R O C 6 ( T at e b e et al., 2 0 1 9;T at e b e & W at a n a b e, 2 0 1 8)

T 8 5 L 8 1, t o p 0. 0 0 4 h P a r 1i 1 p 1f 1 Y es 8 0 0 2. 5 4

M RI ‐E S M 2 ‐0 ( Y u ki m ot o, K os hir o, et al., 2 0 1 9

Y u ki m ot o, K a w ai, et al., 2 0 1 9)

T L 1 5 9 L 8 0, t o p 0. 0 1 h P a r 1i 1 p 1f 1 Y es 2 0 0 3. 3 0

U K E S M 1 ‐0 ‐L L ( K u hl br o dt et al., 2 0 1 8;

T a n g et al., 2 0 1 9)

N 9 6 L 8 5, t o p 8 5 k m r 1i 1 p 1f 2 Y es 1, 1 0 0 5. 2 7

N ot e . Eff e cti v e cli m at e s e nsiti vit y f or C O2 d o u bli n g is t a k e n fr o m a n al ysis b y A. G. P e n d er gr ass usi n g Gr e g or y et al. ( 2 0 0 4) m et h o d ( htt ps:// git h u b. c o m/ a p e n d er-gr ass/ c mi p 6 ‐e cs) a p art fr o m t h e esti m at e f or GI S S ‐E 2. 2 A P w hi c h w as pr o vi d e d b y a r e vi e w er. W e us e t h e t er m “ Eff e cti v e Cli m at e S e nsiti vit y ” h er e f oll o wi n g t h edis c ussi o n i n a n d r e c o m m e n d ati o n of Z eli n k a et al. ( 2 0 2 0).



https://github.com/apendergrass/cmip6-ecs

https://github.com/apendergrass/cmip6-ecs

1. S S Ws ar e i d e nti fi e d f oll o wi n g t h e crit eri o n pr o p os e d i n C h arlt o n a n d P ol v a ni ( 2 0 0 7), w hi c h is b as e d o n

t h e r e v ers al i n t h e si g n of u6 0 N 1 0 h P a fr o m N o v e m b er t o M ar c h. T h eir crit eri o n i n cl u d es t w o a d diti o n al

r estri cti o ns: ( 1) Wi n ds m ust r et ur n t o w est erl y f or at l e ast 2 0 c o ns e c uti v e d a ys b et w e e n e v e nts a n d ( 2)

wi n ds m ust r et ur n t o w est erl y f or at l e ast 1 0 c o ns e c uti v e d a ys b ef or e 3 0 A pril of e a c h y e ar. R e c all t h at t his

d e fi niti o n o nl y i d e nti fi es s o ‐c all e d “ m aj or ” S S Ws. H er e w e d o n ot e x a mi n e ot h er as p e cts of p ol ar v ort e x

v ari a bilit y, s u c h as v ort e x i nt e nsi fi c ati o n e v e nts, w a v e r e fl e cti o n e v e nts, or mi n or str at os p h eri c

w ar mi n gs.

2. S F Ws ar e d e fi n e d as t h e l ast d at e i n t h e s pri n g o n w hi c h u 6 0 N 1 0 h P a r e v ers es a n d d o es n ot r et ur n t o w es-

t erl y f or m or e t h a n 1 0 c o ns e c uti v e d a ys ( B utl er & G er b er, 2 0 1 8).

3. T h e p ol ar v ort e x f or m ati o n d at e is i d e ntifi e d as t h e fi rst ti m e t h at u 6 0 N 1 0 h P a t ur ns w est erl y aft er 1 J ul y, i n

t h e N H, a n d st a ys w est erl y f or at l e ast 1 0 d a ys.

4. P J Os ar e i d e nti fi e d b y a p pl yi n g a sli g ht v ari ati o n of crit eri a est a blis h e d b y Hit c h c o c k et al. ( 2 0 1 3), as t h e

ori gi n al r e q uir e d fi n er v erti c al r es ol uti o n t h a n a v ail a bl e. T h e n e w m etri c h as b e e n v ali d at e d i n r e a n al ysis

t o e ns ur e t h at si mil ar r es ults ar e o bt ai n e d i n t his c as e as t o t h os e o bt ai n e d b y a p pl yi n g t h e ori gi n al o n e

( n ot s h o w n). H er e, t h e i d e ntifi c ati o n is b as e d o n t w o ti m e s eri es P C 1 = T'( 5 h P a) – T'( 1 0 0 h P a) a n d

P C 2 = T'( 5 0 h P a), w h er e T' i n di c at es t h e p ol ar ‐c a p ‐a v er a g e d t e m p er at ur e a n o m al y (fr o m cli m at ol o g y)

at t h e s p e ci fi e d pr ess ur e l e v el. T h es e ti m e s eri es ar e tr a nsf or m e d i nt o p ol ar c o or di n at es r(t) a n d p hi(t),

a n d t h e c e ntr al d at es of e v e nts ar e d e fi n e d b y w h e n t h e p h as e p hi(t) p ass es c o u nt er cl o c k wis e t hr o u g h

3 π / 2, s o l o n g as t h e a m plit u d e r(t) is gr e at er t h a n 2. 5 σ . O n c e a c e ntr al d at e is d efi n e d, t h e st arti n g d at e

of t h e e v e nt is d e fi n e d b y t h e m ost r e c e nt d at e pri or t o t h e c e ntr al d at e w h e n r(t) is b el o w 1. 5 σ , a n d si mi-

l arl y, t h e e n di n g d at e of t h e e v e nt is d efi n e d b y t h e e arli est d at e f oll o wi n g t h e c e ntr al d at e w h e n t h e r(t) is

b el o w 1. 5 σ .

2. 3. St ati sti c al M et h o d s

T w o m et h o ds t o c al c ul at e t h e st atisti c al si g ni fi c a n c e of c h a n g es t o t h e S S W fr e q u e n c y ar e us e d: a p ar a m etri c

m et h o d b as e d o n a n ass u m pti o n t h at t h e S S W fr e q u e n c y c a n b e esti m at e d usi n g a P oiss o n p oi nt pr o c ess a n d

a n o n p ar a m etri c b o otstr a p pi n g t e c h ni q u e b as e d o n r es a m pli n g t h e pi C o ntr ol r u n of e a c h m o d el. Tr e n ds i n

S S W fr e q u e n c y a n d t h e ti m e of e m er g e n c e of t h es e tr e n ds ar e esti m at e d b y fi tti n g a G e n er ali z e d Li n e ar

M o d el t o t h e d e c a d al S S W fr e q u e n c y esti m at es fr o m e a c h m o d el. All t hr e e st atisti c al m et h o ds ar e d es cri b e d

i n d et ail i n A p p e n di x A.

3. M o d el Si m ul ati o n of S S W s D u ri n g t h e Hi st o ri c al P e ri o d: M e a n F r e q u e n c y a n dS e a s o n al Di st ri b uti o n

Pri or t o r e p orti n g c h a n g es i n S S Ws c a us e d b y i n cr e as e d C O 2 c o n c e ntr ati o ns, it is i m p ort a nt t o d o c u m e nt t h e

m o d els' a bilit y t o si m ul at e S S W e v e nts d uri n g t h e p eri o d of o v erl a p wit h r e a n al ysis d at a: W e d o s o b y a n a-

l y zi n g t h e hist ori c al si m ul ati o ns. Fi g ur e 1 a s h o ws t h e a v er a g e fr e q u e n c y of S S Ws d uri n g t h e p eri o d 1 9 5 8–

2 0 1 4 i n J R A ‐5 5 r e a n al ysis ( h ori z o nt al d as h e d li n e) a n d t h e c orr es p o n di n g v al u e f or t h e C MI P 6 m o d els ( b ars;

t h e n u m eri c al v al u es ar e gi v e n i n s u p p orti n g i nf or m ati o n T a bl e S 1). I n a gr e e m e nt wit h pri or st u di es ( e. g.,

A y ar z a g ü e n a et al., 2 0 1 8; C h arlt o n ‐P ér e z et al., 2 0 1 3), w e fi n d a l ar g e s pr e a d a cr oss t h e m o d els i n t h e m e a n

fr e q u e n c y of S S W o v er t h at p eri o d. T his s pr e a d is li k el y d u e, i n p art, t o t h e l ar g e i nt er n al v ari a bilit y of t h e

p ol ar wi nt erti m e str at os p h er e; e v e n wit h a n i d e nti c al cli m at e m o d el, t h e fr e q u e n c y of S S Ws c a n v ar y gr e atl y

a cr oss diff er e nt r e ali z ati o ns, as d e m o nstr at e d b y P ol v a ni et al. ( 2 0 1 7).

Mi n df ul of t his l ar g e i nt er n al v ari a bilit y, it a p p e ars t h at o nl y f o ur of t h e m o d els ar e si g ni fi c a ntl y diff er e nt

fr o m J R A‐5 5, at t h e 9 5 % c o n fi d e n c e l e v el. T hr e e of t h es e ar e t h e m o d els wit h t h e l o w est m o d el t o ps

( C E S M 2, C a n E S M 5, a n d G F D L‐C M 4) t h at si m ul at e f e w er S S W e v e nts t h a n J R A ‐5 5 r e a n al ysis. W h e n c o m-

p ari n g t h e s e as o n al distri b uti o n of S S W a cti vit y i n t h es e m o d els wit h J R A ‐5 5 ( Fi g ur e 2), it is cl e ar t h at f or

t w o of t h e m ( G F D L‐C M 4 a n d C E S M 2), t h e S S W a cti vit y is si g ni fi c a ntl y s hift e d t o w ar d M ar c h, wit h f e w

S S Ws o bs er v e d i n D e c e m b er a n d J a n u ar y. T his is a n ot h er c o m m o n bi as i n l o w ‐t o p m o d els ( C h arlt o n‐

P ér e z et al., 2 0 1 3) a n d, m or e g e n er all y, i n m o d els wit h a n o v erl y str o n g p ol ar v ort e x. It is als o w ort h n oti n g

t h at t h e t hr e e l o w‐t o p m o d els m e nti o n e d a b o v e ar e t h e o nl y o n es l a c ki n g a si m ul at e d Q u asi‐Bi e n ni al

Os cill ati o n ( Q B O). T h e f o urt h m o d el wit h a n u nr e alisti c S S W fr e q u e n c y (I P S L ‐C M 6 A ‐L R), i n c o ntr ast, si m u-

l at es a v er y hi g h n u m b er of S S Ws, o n a v er a g e o n e p er y e ar d uri n g t h e hist ori c al p eri o d (i nst e a d of o n e e v er y

ot h er y e ar). As d et ail e d b el o w, t his m o d el als o st a n ds o ut f or its hi g h fr e q u e n c y of w ar mi n gs i n t h e pi C o ntr ol



r u n. W hil e w e r et ai n t h es e f o ur m o d els i n o ur a n al ysis, t h e si m ul at e d c h a n g es pr o d u c e d b y t h es e m o d els

s h o ul d b e tr e at e d wit h c a uti o n gi v e n t h es e bi as es.

Fi n all y, c o nsi d eri n g t h e s ur prisi n g o c c urr e n c e of a n S S W i n t h e S H i n 2 0 0 2 ( Kr ü g er et al., 2 0 0 5), w e e xt e n d e d

t h e a n al ysis t o t h at h e mis p h er e. N ot a si n gl e S S W e v e nt w as i d e ntifi e d i n t h e S H o v er t h e hist ori c al p eri o d i n

Fi g u r e 1. ( a) A v er a g e a n n u al S S W fr e q u e n c y i n t h e hist ori c al si m ul ati o ns ( 1 9 5 8– 2 0 1 4) of t h e C MI P 6 m o d els. Bl a c k li n es s h o w 9 5 % c o n fi d e n c e esti m at es f or t h e

a n n u al fr e q u e n c y. D as h e d bl a c k li n e c orr es p o n ds t o S S W fr e q u e n c y i n t h e J R A ‐5 5 r e a n al ysis, wit h its 9 5 % c o n fi d e n c e i nt er v al i n t h e li g ht gr a y s h a di n g. ( b)S a m e as ( a) b ut f or S S W o c c urr e n c e i n t h e pi C o ntr ol (li g ht gr a y b ars) a n d a br u pt 4 x C O 2 si m ul ati o ns ( d ar k gr a y b ars). Bl a c k li n es s h o w 9 5 % c o n fi d e n c e i nt er v als f ore a c h esti m at e. B ars ar e or d er e d b y t h e si z e of t h e diff er e n c e b et w e e n t h e t w o si m ul ati o ns.

Fi g u r e 2. S S W fr e q u e n c y distri b uti o n i n t h e hist ori c al si m ul ati o n of e a c h m o d el ( bl u e li n e) a n d J R A ‐5 5 r e a n al ysis p eri o d ( or a n g e d as h e d li n e). T h e distri b uti o n h as

b e e n s m o ot h e d b y a k er n el s m o ot h er of a b a n d wi dt h of 1 0 d a ys. S h a di n g c orr es p o n ds t o 2. 5t h – 9 7. 5t h p er c e ntil e r a n g e of t h e b o otstr a p s a m pl es, t h at is, t h e 9 5 %c o n fi d e n c e i nt er v al o n t h e m e a n of t h e pi C o ntr ol si m ul ati o n. ( S e e m or e d et ails a b o ut t h e d et er mi n ati o n of t his i nt er v al i n A p p e n di x A 1. 2).



t h e m o d els a n al y z e d h er e. O n e m a y b e t e m pt e d t o cl ai m t h at t h e C MI P 6 m o d els ar e u n d er esti m ati n g t h e

str at os p h eri c v ari a bilit y i n t h e S H, as s p o nt a n e o us S S Ws i n t h e a bs e n c e of st ati o n ar y w a v es h a v e b e e n

r e p ort e d i n si m pl e m o d els ( K us h n er & P ol v a ni, 2 0 0 5). H o w e v er, it r e m ai ns t o b e d e m o nstr at e d w h et h er fi v e

or si x d e c a d es of o bs er v ati o ns ar e s uf fi ci e nt t o m a k e t h at cl ai m.

4. F ut u r e C h a n g e s i n P ol a r St r at o s p h e ri c V a ri a bilit y

4. 1. F ut u r e C h a n g e s i n S S W s

Fi g ur e 1 b dis pl a ys t h e m e a n fr e q u e n c y of S S Ws i n b ot h t h e pi C o ntr ol a n d a br u pt 4 x C O 2 si m ul ati o ns ( n u m er-

i c al v al u es i n T a bl e S 2). As dis c uss e d i n s e cti o n 2, all S S Ws i d e ntifi e d i n t h e e ntir e a br u pt 4 x C O 2 si m ul ati o n

h a v e b e e n c o nsi d er e d. W e str ess, h o w e v er, t h at t h e m ai n r es ults pr es e nt e d b el o w d o n ot c h a n g e si g ni fi c a ntl y

if o nl y t h e s e c o n d 7 5 y e ars of e a c h a br u pt 4 x C O 2 si m ul ati o n ar e us e d ( n ot s h o w n). T w o diff er e nt t ests of t h e

st atisti c al si g ni fi c a n c e of t h e c h a n g es ar e c o n d u ct e d, pr o vi di n g a c o nsist e nt i n di c ati o n of t h e st atisti c al si g-

ni fi c a n c e of c h a n g es, alt h o u g h t h e pr e cis e p- v al u es v ar y d u e t o diff er e n c e i n t h e u n d erl yi n g ass u m pti o ns.

Of t h e 1 2 m o d els i n o ur st u d y, f o ur m o d els i n di c at e a st atisti c all y si g ni fi c a nt d e cr e as e i n S S W fr e q u e n c y,

w hil e f o ur i n di c at e a st atisti c all y si g ni fi c a nt i n cr e as e i n S S W fr e q u e n c y. T h us, n o c o ns e ns us i n t h e si g n of

t h e c h a n g e e xists i n t h e C MI P 6 m o d els, i n a gr e e m e nt wit h t h e di v ersit y of cl ai ms r e p ort e d i n t h e e arli er lit-

er at ur e. T h e l a c k of a r o b ust c h a n g e a cr oss t h e m o d els is n ot d u e t o a l a c k of s e nsiti vit y of S S W fr e q u e n c y t o

i n cr e asi n g C O2 : I n f a ct, 8 of t h e 1 2 m o d els i n di c at e si g nifi c a nt c h a n g es. R at h er, t h e C MI P 6 m o d els s u g g est

t h at t h er e is a gr e at d e al of u n c ert ai nt y i n t h e si g n of t h e c h a n g e, w hi c h v ari es b et w e e n a n e ar d o u bli n g i n t h e

fr e q u e n c y of S S Ws i n s o m e m o d els a n d a n e ar h al vi n g i n ot h ers. T h es e di v er g e nt r es p o ns es of t h e m o d els

m a y n o w b e cl e ar er i n t h e C MI P 6, w h er e w e c a n c o nsi d er a str o n g er f or ci n g ( 4 x C O 2 ) a n d h a v e a c c ess t o

l o n g er r e c or ds of d ail y d at a, c o m p ar e d t o pr e vi o us st u di es.

W e als o n ot e t h at t h e l a c k of c o ns e ns us i n t h e C MI P 6 m o d els a gr e es wit h t h e r e c e nt st u d y of A y ar z a g ü e n a

et al. ( 2 0 1 8), w h o a n al y z e d t h e c h e mistr y cli m at e m o d el pr oj e cti o ns of t h e C C MI m o d els, w hi c h w er e f or c e d

wit h R C P 6. 0 s c e n ari o. W hil e r e p orti n g a g e n er al t e n d e n c y t o w ar d a n i n cr e as e d fr e q u e n c y of S S Ws b y t h e e n d

of t h e c urr e nt c e nt ur y, t h e y als o e m p h asi z e d t h at m ost c h a n g es w er e n ot st atisti c all y si g ni fi c a nt.

W e d o n ot att e m pt t o f urt h er a n al y z e t h e c a us es of diff er e n c es i n t h e m o d el r es p o ns es h er e, ot h er t h a n t o

n ot e t h at wit hi n o ur s et of m o d els, o n e of t h e m o d els i n di c ati n g a si g ni fi c a nt r e d u cti o n of S S W fr e q u e n c y

( C a n E S M 5) a n d o n e of t h e m o d els i n di c ati n g a si g nifi c a nt i n cr e as e of S S W fr e q u e n c y ( C E S M 2) h a v e a n o m-

al o usl y l o w S S W fr e q u e n c y a n d (i n t h e c as e of C E S M 2) a bi as e d s e as o n al distri b uti o n of S S W i n t h e hist ori c al

si m ul ati o ns ( Fi g ur e 2). A d diti o n all y, t w o m o d els w hi c h s h o w si g ni fi c a nt d e cr e as es i n S S W fr e q u e n c y

( H a d G E M 3‐G C 3 1 ‐L L a n d I P S L ‐C M 6 A ‐L R) h a v e t h e hi g h est fr e q u e n c y of S S W e v e nts i n t h e pi C o ntr ol

a n d hist ori c al si m ul ati o ns. T h e I P S L ‐C M 6 A ‐L R h as a si g ni fi c a nt bi as i n S S W fr e q u e n c y a n d pr es e nts s o m e

str o n g bi as es i n t h e r e pr es e nt ati o n of Q B O i n t h e a br u pt 4 x C O 2 si m ul ati o n. N e v ert h el ess, e v e n if w e di d n ot

c o nsi d er t h e f o ur m o d els wit h bi as es i n t h e r e pr es e nt ati o n of S S Ws i n t h e hist ori c al p eri o d ( C a n E S M 5,

C E S M 2, I P S L ‐C M 6 A ‐L R, a n d G F D L ‐C M 4), t h e m ai n c o n cl usi o n o n t h e u n c ert ai nt y i n t h e si g n of S S W

c h a n g es w o ul d r e m ai n t h e s a m e.

W e als o bri e fl y e x a mi n e d t h e r el ati o ns hi p b et w e e n t h e c h a n g e i n S S W fr e q u e n c y a n d p ossi bl e pr e di ct ors of

t h e c h a n g e, i n cl u di n g t h e fr e q u e n c y of S S Ws i n t h e pi C o ntr ol a n d hist ori c al si m ul ati o ns a n d t h e Eff e cti v e

Cli m at e S e nsiti vit y ( E C S; Gr e g or y et al., 2 0 0 4) ( Fi g ur e 3). R e c all t h at E C S gi v es a m e as ur e of t h e e q uili bri u m

c h a n g e of t h e gl o b al s urf a c e t e m p er at ur e aft er a d o u bli n g of C O 2 . As c a n b e s e e n fr o m Fi g ur e 3, m o d els t h at

h a v e a l ar g er fr e q u e n c y of S S Ws i n t h e pi C o ntr ol r u n a n d m o d els t h at h a v e a l ar g er E C S s e e m t o pr o d u c e

l ar g e r e d u cti o ns i n S S W fr e q u e n c y u n d er l ar g e C O2 f or ci n g. A n ot a bl e o utli er fr o m t h e m ai n r el ati o ns hi p

h er e is t h e GI S S ‐E 2. 2 A P m o d el b ut n ot e t h at s h ort er si m ul ati o ns ar e a v ail a bl e f or t his m o d el t h a n f or ot h ers

i n t h e e ns e m bl e w hi c h als o m e a ns t h at t h e u n c ert ai nt y o n t h e esti m at e of t h e pi C o ntr ol S S W fr e q u e n c y f or

t his m o d el is l ar g e.

E x cl u di n g GI S S ‐E 2. 2 A P, t h e c orr el ati o n b et w e e n S S W fr e q u e n c y c h a n g es a n d E C S is − 0. 5 2 wit h a pr o b a bil-

it y v al u e of o bt ai ni n g r es ults at l e ast as e xtr e m e as t h e c o m p ut e d c orr el ati o n (p v al u e) of 0. 1 2. H o w e v er, wit h

GI S S ‐E 2. 2 A P i n cl u d e d i n t h e e ns e m bl e, t h e c orr el ati o n dr o ps t o − 0. 3 3 a n d is n ot si g ni fi c a nt. T h e c orr el ati o n

b et w e e n pi C o ntr ol fr e q u e n c y a n d S S W fr e q u e n c y c h a n g es is − 0. 5 0 wit h a p v al u e of 0. 1 0 wit h all m o d els



i n cl u d e d. F urt h er a n al ysis of a l ar g er e ns e m bl e w o ul d b e r e q uir e d t o d et er mi n e t h e r o b ust n ess of

t h es e r el ati o ns hi ps.

Alt h o u g h n ot a d dr ess e d i n t h e lit er at ur e, a r el ati o ns hi p b et w e e n E C S a n d S S W fr e q u e n c y c h a n g es mi g ht b e

p ossi bl e gi v e n s o m e pr e vi o us r es ults c o n n e ct e d t o t his t o pi c. S h e p h er d a n d M c L a n dr ess ( 2 0 1 1) a n d Gris e a n d

P ol v a ni ( 2 0 1 6) d o c u m e nt e d a li n k b et w e e n t h e str e n gt h e ni n g of t h e s u btr o pi c al j et a n d str at os p h eri c w a v e

dri vi n g a n d b et w e e n E C S a n d d y n a mi c al c h a n g es, r es p e cti v el y. M or e o v er, Li et al. ( 2 0 0 7) h a v e ar g u e d t h at

t h e s u btr o pi c al j et, a n d tr o p os p h eri c st at e i n g e n er al, mi g ht c o ntr ol t h e u p w ar d pl a n et ar y w a v e pr o p a g ati o n.

I n t his s e ns e, t h e m eri di o n al gr a di e nt of t h e u p p er tr o p os p h eri c t e m p er at ur e i n t h e pi C o ntr ol si m ul ati o n

( c o m p ut e d as i n H ar v e y et al., 2 0 1 4) w as f o u n d t o b e li n k e d t o t h e S S W fr e q u e n c y c h a n g es u n d er hi g h

C O 2 c o n c e ntr ati o ns. T h e c orr el ati o n b et w e e n b ot h v ari a bl es is − 0. 6 1 ( p v al u e 0. 0 4). T h us, a m o d el bi as i n

t h e tr o p os p h eri c st at e aff e cts t h e str at os p h eri c r es p o ns e t o i n cr e asi n g C O2 , pr o b a bl y d u e t o its eff e cts o n

w a v e pr o p a g ati o n. I n a d diti o n, a n i ntri g ui n g e x a mi n ati o n of t h e r el ati o ns hi p b et w e e n c h a n g es i n t h e tr o p o-

s p h eri c st at e a n d S S W fr e q u e n c y is s h o w n i n t h e b ott o m r o w of p a n els of Fi g ur e 3. A g ai n, GI S S ‐E 2. 2 A P is a n

o utli er i n Fi g ur es 3 c – 3f. E x cl u di n g, GI S S ‐E 2. 2 A P, t h er e is a si g ni fi c a nt c orr el ati o n b et w e e n c h a n g es i n S S Ws

a n d c h a n g es i n t h e p ol ar l o w er tr o p os p h eri c t e m p er at ur e ( − 0. 8 9, p v al u e < 0. 0 1) a n d t h e l o w er tr o p os p h eri c

t e m p er at ur e gr a di e nt ( 0. 7 9, p v al u e < 0. 0 1). I n c o ntr ast, c orr el ati o ns b et w e e n t h e u p p er tr o p os p h eri c t e m-

p er at ur e c h a n g es a n d S S W fr e q u e n c y ar e g e n er all y s m all er, wit h t h e hi g h est c orr el ati o n b et w e e n t h e tr o pi c al

u p p er tr o p os p h eri c t e m p er at ur e c h a n g e a n d S S W fr e q u e n c y c h a n g e ( − 0. 6 2, p v al u e 0. 0 6). Wit h GI S S ‐E 2. 2 A P

Fi g u r e 3. S c att er pl ots of t h e c h a n g e of S S W fr e q u e n c y b et w e e n t h e pi C o ntr ol a n d a br u pt 4 x C O 2 si m ul ati o ns v ers us ( a) t h e fr e q u e n c y i n t h e pi C o ntr ol si m ul ati o ns,( b) t h e fr e q u e n c y i n t h e hist ori c al si m ul ati o ns, ( c) t h e E C S, ( d) t h e c h a n g e i n tr o pi c al t e m p er at ur e at 2 5 0 h P a, ( e) t h e c h a n g e i n p ol ar t e m p er at ur e at 8 5 0 h P a,

a n d (f) t h e diff er e n c e i n tr o pi c al ‐p ol ar t e m p er at ur e diff er e n c e at 8 5 0 h P a. I n ( a) a n d ( b), t h e gr a y d as h e d li n e s h o ws t h e o bs er v e d S S W fr e q u e n c y i n t h e J R A ‐5 5r e a n al ysis ( 0. 6 4 S S W p er y e ar). T h e t e m p er at ur e r e gi o ns i n ( d) – (f) ar e d efi n e d as i n H ar v e y et al. ( 2 0 1 4).



i n cl u d e d, t h e l o w er tr o p os p h eri c c orr el ati o ns ar e r e d u c e d b ut h a v e p v al u es s m all er t h a n 0. 0 5, w hil e t h e

c orr el ati o n wit h tr o pi c al u p p er tr o p os p h eri c t e m p er at ur e d o es n ot ( − 0. 4 9, p v al u e 0. 1 2).

Of t h es e t hr e e criti c al t e m p er at ur e p ar a m et ers, t e m p er at ur es i n t h e u p p er tr o pi c al tr o p os p h er e a n d p ol ar

l o w er tr o p os p h er e ar e c orr el at e d wit h t h e E C S. As m or e d y n a mi c al di a g n osti cs s uit a bl e f or d et ail e d e x a mi-

n ati o n of t h e w a v e g e n er ati o n a n d pr o p a g ati o n i n t h e m o d els b e c o m e a v ail a bl e, it will b e v er y i nt er esti n g t o

tr y t o u n d erst a n d t h e r o b ust n ess a n d c a us es of t h es e r el ati o ns hi ps. W e als o n ot e t h e i nt er esti n g r e c e nt r es ult

of Z eli n k a et al. ( 2 0 2 0) t h at m o d els wit h hi g h er cli m at e s e nsiti vit y i n C MI P 6 g e n er all y h a v e r e d u c e d l o w

cl o u d c o v er i n mi dl atit u d e a n d p ol ar r e gi o ns.

T o f urt h er e x a mi n e t h e c h a n g es i n S S W fr e q u e n c y u n d er 4 x C O 2 f or ci n g, w e h a v e a n al y z e d t h e e ntir e distri-

b uti o n of d ail y u 6 0 N 1 0 h P a i n D e c e m b er‐J a n u ar y ‐F e br u ar y i n t h e pi C o ntr ol a n d a br u pt 4 x C O 2 si m ul ati o ns

( Fi g ur e 4). T h e f o ur m o d els wit h a si g nifi c a nt d e cr e as e i n S S Ws fr e q u e n c y i n Fi g ur e 1 b ( H a d G E M 3 ‐G C 3 1 ‐

L L, C a n E S M 5, I P S L ‐C M 6 A ‐L R, a n d I N M ‐C M 5 ‐0) ar e als o t h os e t h at s h o w t h e l ar g est s hift of t h e

u 6 0 N 1 0 h P a distri b uti o n t o w ar d str o n g er v ort e x s p e e ds i n t h e a br u pt 4 x C O 2 e x p eri m e nt. I nt er esti n gl y, t h e

o p p osit e d o es n ot al w a ys a p pl y t o m o d els wit h a si g ni fi c a nt i n cr e as e i n S S Ws. T h e m o d els wit h t h e l ar g est

c h a n g es i n S S W fr e q u e n c y, MI R O C 6 a n d C E S M 2 ‐W A C C M, s h o w s m all c h a n g es t o eit h er t h e m e di a n or

st a n d ar d d e vi ati o n of t h e u 6 0 N 1 0 h P a ( T a bl e S 3). T his w o ul d a gr e e wit h t h e r es ults of T a g u c hi ( 2 0 1 7) w h o

p oi nt e d o ut S S W fr e q u e n c y d o es n ot o nl y c orr el at e wit h v ort e x str e n gt h b ut als o w a v e a cti vit y.

A si mil ar a n al ysis w as r e p e at e d f or t h e z o n al ‐m e a n z o n al wi n d at 1 0 h P a a v er a g e d b et w e e n 7 0 ° a n d 8 0 ° N

( n ot s h o w n). T h at l atit u d e b a n d w as f o u n d b y M a n zi ni et al. ( 2 0 1 4) t o dis pl a y si g ni fi c a nt f ut ur e c h a n g es

i n wi n d i n m ost m o d els, u nli k e t h e 6 0 ° N l atit u d e w h er e n o r o b ust f ut ur e c h a n g es w er e f o u n d i n C MI P 5 m o d-

els b e c a us e t h e o p p os e d eff e cts of s u btr o pi c al j et a n d str at os p h eri c p ol ar v ort e x c h a n g es mi g ht c o m bi n e at

t h at l atit u d e. H o w e v er, i n o ur c as e, t h e m ai n c o n cl usi o ns r e m ai n t h e s a m e. T h os e m o d els t h at s h o w a s hift

of t h e u 6 0 N 1 0 h P a distri b uti o n t o w ar d str o n g er v ort e x s p e e ds u n d er 4 x C O 2 f or ci n g als o dis pl a y a s h ar p er p e a k

Fi g u r e 4. Pr o b a bilit y distri b uti o n of d ail y z o n al m e a n z o n al wi n d at 6 0 ° N a n d 1 0 h P a ( m/s) f or t h e pi C o ntr ol ( bl u e) a n d a br u pt 4 x C O 2 ( or a n g e) e x p eri m e nts. D as h e dli n es r e pr es e nt t h e m e di a n v al u e of t h e distri b uti o n i n e a c h i nt e gr ati o n.



of hi g h v al u es of u at 7 0 ° – 8 0 ° N s u g g esti n g l o w er v ari a bilit y i n t h at r e gi o n, c o nsist e nt wit h a str o n g er a n d

l ar g er v ort e x.

W e h a v e als o e x a mi n e d p ot e nti al c h a n g es i n S S W s e as o n alit y. H o w e v er, d es pit e t h e alr e a d y m e nti o n e d

c h a n g es d et e ct e d i n S S W fr e q u e n c y i n s o m e m o d els, t h e dr asti c i n cr e as e i n C O 2 c o n c e ntr ati o ns d o es n ot

a p p e ar t o s u bst a nti all y aff e ct t h e s e as o n al distri b uti o n of S S Ws ( n ot s h o w n).

Fi n all y, m oti v at e d b y t h e r e c e nt o c c urr e n c e of a mi n or b ut hi g hl y p u bli ci z e d S S W e v e nt i n t h e S H i n

S e pt e m b er 2 0 1 9 ( H e n d o n et al., 2 0 1 9), t o g et h er wit h t h e o c c urr e n c e of a m aj or S S W i n S e pt e m b er 2 0 0 2,

w e als o e x a mi n e d t h e C MI P 6 m o d els t o d et er mi n e t h e e xt e nt t o w hi c h t h e li k eli h o o d of si mil ar e v e nts mi g ht

c h a n g e u n d er t h e e xtr e m e cli m at e f or ci n g i n t h e a br u pt 4 x C O 2 r u ns. O nl y 1 of o ur 1 2 m o d els ( M RI ‐E S M 2 ‐0)

si m ul at es a n S S W i n b ot h t h e pi C o ntr ol a n d t h e a br u pt 4 x C O 2 si m ul ati o ns. T h us, t h es e r u ns pr o vi d e n o e vi-

d e n c e f or t h e cl ai m of p ossi bl e tr e n ds i n t h e fr e q u e n c y of S S Ws i n t h e S H t h at w o ul d b e c a us e d b y i n cr e as e d

C O 2 c o n c e ntr ati o ns.

4. 2. T r e n d s i n S S W F r e q u e n c y a n d Ti m e of E m e r g e n c e

F or t h e m o d el i nt e gr ati o ns w hi c h s h o w a st atisti c all y si g ni fi c a nt i n cr e as e or d e cr e as e i n S S W fr e q u e n c y

b et w e e n t h e pi C o ntr ol a n d t h e a br u pt 4 x C O 2 r u ns, it is us ef ul t o c o nsi d er w h e n a n d w h et h er t h e tr e n d i n

S S W fr e q u e n c y mi g ht b e d et e ct e d i n a si m ul ati o n wit h c o nti n u o usl y i n cr e asi n g C O 2 f or ci n g. A us ef ul w a y

t o fr a m e cli m at e tr e n ds is i n t er ms of t h e ti m e of e m er g e n c e of t h e si g n al fr o m t h e u nf or c e d cli m at e n ois e

( H a w ki ns & S utt o n, 2 0 1 2). T his q u esti o n is e x a mi n e d b y st u d yi n g t h e o c c urr e n c e of S S Ws i n t h e 1 p ct C O 2

r u ns, a n i d e ali z e d s c e n ari o.

Tr e n d esti m at es f or e a c h m o d el ar e s h o w n i n Fi g ur e 5 a ( n u m eri c al v al u es i n T a bl e S 4). R es ults r e v e al t h at

t h er e ar e si x m o d els (li g ht gr a y b ars) f or w hi c h t h e n ull h y p ot h esis of n o tr e n d i n S S W fr e q u e n c y c a n b e

r ej e ct e d, b ut c o nsist e nt wit h t h e r es ults of t h e pr e vi o us s e cti o n, t h e si g n of t his tr e n d is n ot r o b ust a cr oss

m o d els. W hil e C a n E S M 5 a n d H a d G E M 3 ‐G C 3 1 ‐L L s h o w a si g ni fi c a nt d e cr e as e, C N R M ‐E S M 2 ‐1, C E S M 2 ‐

W A C C M, G F D L ‐C M 4, a n d M RI ‐E S M 2 ‐0 s h o w a si g ni fi c a nt i n cr e as e. R e c all t h at f or t h e a br u pt 4 x C O 2 r u ns

( Fi g ur e 1 b), C N R M‐E S M 2 ‐1 a n d C E S M 2 ‐W A C C M als o i n di c at e d a st atisti c all y si g ni fi c a nt i n cr e as e i n S S W

fr e q u e n c y c o m p ar e d t o t h e pi C o ntr ol r u ns, w hil e G F D L‐C M 4 a n d M RI ‐E S M 2 ‐0 di d n ot ( alt h o u g h t h e y di d

i n di c at e a n i n cr e as e d fr e q u e n c y). C a n E S M 5 a n d H a d G E M 3‐G C 3 1 ‐L L b ot h s h o w e d a st atisti c all y

si g nifi c a nt d e cr e as e.

O n e c a n als o esti m at e a ti m e of e m er g e n c e of t h e tr e n d b y c o m p ari n g t h e tr e n d i n t h e 1 p ct C O 2 r u ns wit h t h e

n at ur al v ari a bilit y i n S S W fr e q u e n c y fr o m t h e pi C o ntr ol r u n (s e e A p p e n di x A. 2 f or d et ails i n t h e pr o c e d ur e).

F or t h e m o d els wit h a si g ni fi c a nt tr e n d, t h e d e c a d e of e m er g e n c e is s h o w n i n Fi g ur e 5 b. T h er e is a wi d e-

s pr e a d i n t h e pr oj e ct e d ti m e of e m er g e n c e f or t h e m o d els wit h a si g ni fi c a nt tr e n d, v ar yi n g fr o m t h e fi ft h d e c-

a d e t o f o urt e e nt h d e c a d e. T his r es ult r e fl e cts b ot h t h e v ari ati o n i n t h e tr e n d a cr oss t h e m o d els a n d t h e s pr e a d

Fi g u r e 5. ( a) Esti m at e d fr a cti o n al c h a n g e i n S S W fr e q u e n c y b y t h e s e v e nt h d e c a d e of t h e 1 p ct C O 2 si m ul ati o ns. Li g ht gr a y s h a d e d li n es i n di c at e t h at t h e tr e n d of

S S W fr e q u e n c y i n t h e m o d el is si g ni fi c a ntl y diff er e nt fr o m z er o at a p v al u e of 0. 0 5. D as h e d li n e i n di c at es tr e n d e q u al t o 1, t h at is, n o tr e n d i n t h e S S Wsfr e q u e n c y. ( b) D e c a d e of e m er g e n c e of S S W fr e q u e n c y tr e n d f or t h os e m o d els i n w hi c h t h e tr e n d t er m is si g nifi c a ntl y diff er e nt fr o m z er o, c al c ul at e d as d es cri b e d i nt h e m ai n t e xt.


A Y A R Z A G Ü E N A E T A L. 1 0 of 2 1

i n t h e esti m at e d v ari a bilit y i n S S W fr e q u e n c y (t h e n ois e) i n t h e pi C o ntr ol si m ul ati o ns. Si n c e t h e ti m e of C O2d o u bli n g o c c urs b et w e e n t h e si xt h a n d s e v e nt h d e c a d e i n t h e 1 p ct C O 2 r u n a n d a p pr o xi m at el y b y 2 0 6 0 – 2 0 7 0

i n t h e R C P 8. 5 s c e n ari o ( M ei ns h a us e n et al., 2 0 1 7), t h es e r es ults i n di c at e t h at t h e e m er g e n c e of a d et e ct a bl e

c h a n g e i n S S W fr e q u e n c y is e xtr e m el y u nli k el y pri or t o t h e e n d of t h e 2 1st c e nt ur y.

5. F ut u r e C h a n g e s i n t h e S e a s o n al C y cl e of t h e P ol a r St r at o s p h e r e

Si n c e, a c c or di n g t o li n e ar t h e or y, t h e v erti c al pr o p a g ati o n of st ati o n ar y R oss b y w a v es is r estri ct e d t o p eri o ds

wit h w est erl y wi n ds, str at os p h eri c v ari a bilit y is l ar g el y c o n fi n e d t o t h e wi nt er s e as o n ( e. g., C h ar n e y &

Dr a zi n, 1 9 6 1). W h e n c o nsi d eri n g h o w str at os p h eri c v ari a bilit y mi g ht c h a n g e i n f ut ur e cli m at es, it is t h er e-

f or e als o i m p ort a nt t o c o nsi d er t h e e xt e nt t o w hi c h t h e ti mi n g a n d l e n gt h of t h e wi nt er s e as o n i n t h e str at o-

s p h er e mi g ht als o c h a n g e.

Fi g ur es 6 a a n d 6 b s h o w t h e distri b uti o n of d at es of f or m ati o n a n d fi n al br e a k d o w n of t h e b or e al str at os p h eri c

p ol ar v ort e x, r es p e cti v el y, i n t h e pi C o ntr ol, hist ori c al, a n d a br u pt 4 x C O 2 C MI P 6 si m ul ati o ns. I n t h es e pl ots

t h e fi rst y e ars of t h e a br u pt 4 x C O 2 si m ul ati o ns ( 7 5 or 3 0 0 y e ars) h a v e b e e n o mitt e d si mil ar t o t h e pr o c e d ur e

f oll o w e d t o c al c ul at e t h e cli m at ol o g y. N e v ert h el ess, c o n cl usi o ns d o n ot c h a n g e w h e n c o nsi d eri n g t h e w h ol e

d at a r e c or d f or a br u pt 4 x C O 2 r u ns.

First, l et us c o nsi d er t h e hist ori c al m o d el si m ul ati o ns a n d c o ntr ast t h e m t o t h e r e a n al ysis. O v er t h e p eri o d

1 9 5 8 – 2 0 1 4, t h e p ol ar v ort e x f or ms e arli er i n all m o d els t h a n it d o es i n t h e r e a n al ysis, wit h t h e e x c e pti o n

of I P S L ‐C M 6 A ‐L R. I n c o ntr ast, t h e S F W d at e is w ell r e pr o d u c e d b y m o d els. T h e l att er i m pli es a n i m pr o v e-

m e nt wit h r es p e ct t o pr e vi o us g e n er ati o ns of cli m at e m o d els, s u c h as t h os e c o ntri b uti n g t o C C M V al a n d

C MI P 5, w hi c h si m ul at e d a d el a y e d S F W ( B ut c h art et al., 2 0 1 1; K ell e h er et al., 2 0 1 9). C MI P 6 m o d els ar e als o

g o o d at si m ul ati n g t h e diff er e nt r a n g e of i nt er a n n u al v ari a bilit y i n t h e d at es of v ort e x f or m ati o n a n d S F W,

t h e l att er b ei n g c o nsi d er a bl y l ar g er t h a n t h e f or m er.

S e c o n d, w e c o nsi d er t h e c h a n g es c a us e d b y i n cr e as e d C O 2 , b ot h f or t h e f or m ati o n a n d t h e fi n al br e a k d o w n

of t h e b or e al p ol ar v ort e x: T h es e dis pl a y r o b ust c h a n g es a cr oss m o d els. T h e p ol ar v ort e x f or ms e arli er a n d

p ersists f or l o n g er i n t h e a br u pt 4 x C O 2 s c e n ari o t h a n i n t h e pi C o ntr ol r u ns ( Fi g ur es 6 a a n d 6 b). T his si g n al

is p arti c ul arl y cl e ar a n d is si g nifi c a nt i n m ost of t h e m o d els i n t h e c as e of t h e v ort e x f or m ati o n. Alt h o u g h h alf

of t h e m o d els d o n ot s h o w a si g ni fi c a nt c h a n g e, t h er e is a cl e ar c o ns e ns us i n t h e si g n of t h e S F W c h a n g e

a cr oss t h es e m o d els.

I nt er esti n gl y, t h e m o d els wit h t h e l ar g est d el a y of S F W i n t h e a br u pt 4 x C O 2 si m ul ati o n ( C a n E S M 5,

H a d G E M 3. G C 3 1 ‐L L, a n d I P S L ‐C M 6 A ‐L R) ar e als o t h os e wit h t h e l ar g est r e d u cti o n i n t h e fr e q u e n c y of

S S W S. T his i n di c at es t h at t h e l o n g p ersist e n c e of t h e v ort e x is r el at e d t o a str o n g er a n d c ol d er v ort e x d uri n g

t h e e xt e n d e d wi nt er, r at h er t h a n t o t h e eff e ct of S S Ws o n t h e S F Ws ti mi n g s u g g est e d b y H u et al. ( 2 0 1 4). T h e

y e ar ‐r o u n d r a di ati v e eff e ct of C O 2 , w hi c h is ass o ci at e d wit h a w ar mi n g tr o pi c al u p p er tr o p os p h er e a n d a

c o oli n g str at os p h er e, i n cr e as es t h e u p p er ‐l e v el m eri di o n al t e m p er at ur e gr a di e nt a n d l e a ds t o a

l o n g er‐li v e d p ol ar v ort e x. I n d e e d, a p ositi v e a n d si g nifi c a nt c orr el ati o n ( ~ 0. 6 5) h as b e e n f o u n d b et w e e n

t h e d e gr e e of c h a n g e i n t h e d ur ati o n of t h e p ol ar v ort e x p er wi nt er a n d t h e w ar mi n g of t h e tr o pi c al u p p er

tr o p os p h er e i n m o d els b et w e e n pi C o ntr ol a n d a br u pt 4 x C O2 si m ul ati o ns. W h y t his i n fl u e n c e o c c urs pri m ar-

il y i n e arl y f all a n d s pri n g m a y b e ti e d t o t h e s e as o n alit y of t h e u p p er tr o p os p h eri c w ar mi n g ( H ar v e y et al.,

2 0 1 4) a n d t h e d y n a mi c al dri vi n g of t h e p ol ar v ort e x. I n d e e d, t h e w a v e a cti vit y is t y pi c all y w e a k er d uri n g t h e

tr a nsiti o n s e as o n ( p arti c ul arl y i n A ut u m n) t h a n i n mi d wi nt er ( K o d er a et al., 2 0 0 3), a n d s o t h e r a di ati v e eff e ct

of i n cr e as e d C O 2 o n t h e str at os p h er e d o mi n at es. I n s u m, m o d els pr e di ct a n i n cr e as e of ar o u n d 3 0 d a ys of

w est erl y wi n ds i n t h e a br u pt 4 x C O 2 si m ul ati o ns, a s u bst a nti al i n cr e as e i n t h e ti m e of t h e y e ar o v er w hi c h

str at os p h eri c v ari a bilit y is a cti v e a n d c a n c o u pl e wit h t h e tr o p os p h er e.

A si mil ar a n al ysis h as b e e n p erf or m e d f or t h e S H. B e c a us e pl a n et ar y w a v e a cti vit y is m u c h w e a k er i n t h e S H

t h a n i n t h e N H ( A n dr e ws et al., 1 9 8 7), r a di ati v e C O2 f or ci n g d o mi n at es t h e S H p ol ar v ort e x r es p o ns e t o

i n cr e asi n g C O2 c o n c e ntr ati o ns a n d s o c a us es a r o b ust str e n gt h e ni n g. I n m a n y m o d els, t h e e xtr e m e C O 2 c o n-

c e ntr ati o ns pr e v e nt t h e p ol ar v ort e x fr o m dis a p p e ari n g at all d uri n g a ustr al s u m m er, l e a di n g t o p er p et u al

w est erl y c o n diti o ns i n t h e str at os p h er e, s o w e d o n ot s h o w t h e r es ults f or t h e a br u pt 4 x C O 2 si m ul ati o n.

T h e distri b uti o n of S F W d at es f or pi C o ntr ol a n d hist ori c al si m ul ati o ns is dis pl a y e d i n Fi g ur e 6 c. U nli k e i n

t h e N H, t h e distri b uti o n of S F Ws i n t h e S H alr e a d y s hifts t o w ar d a l at er d at e i n t h e hist ori c al p eri o d wit h



Fi g u r e 6. B o x pl ots s h o wi n g t h e distri b uti o n of d at es of ( a) p ol ar v ort e x f or m ati o n a n d ( b) str at os p h eri c fi n al w ar mi n g i n

t h e N ort h er n H e mis p h er e f or t h e pi C o ntr ol ( bl u e), hist ori c al ( gr e e n), a n d a br u pt‐4 x C O 2 (r e d) si m ul ati o ns f or all m o d elsa n d J R A ‐5 5 r e a n al ysis. ( c) S a m e as ( b) b ut f or t h e S o ut h er n H e mis p h er e a n d o nl y i n pi C o ntr ol a n d hist ori c al r u ns. T h ei nt er q u artil e r a n g e is r e pr es e nt e d b y t h e si z e of t h e b o x, a n d t h e i nsi d e li n e ( bl a c k cr oss) c orr es p o n ds t o t h e m e di a n

( m e a n). W his k ers i n di c at e t h e m a xi m u m a n d mi ni m u m p oi nts i n t h e distri b uti o n t h at ar e n ot o utli ers. O utli ers (r e dcr oss es) ar e d e fi n e d as p oi nts wit h v al u es gr e at er t h a n 3/ 2 ti m es t h e i nt er q u artil e r a n g e fr o m t h e e n ds of t h e b o x.



r es p e ct t o t h e pi C o ntr ol c o n diti o ns. Alt h o u g h t h e attri b uti o n of c h a n g es i n t h e l e n gt h of t h e wi nt er s e as o n t o

C O 2 is c o m pli c at e d, o z o n e d e pl eti o n i n a ustr al s pri n g o v er t h e hist ori c al p eri o d mi g ht b e r es p o nsi bl e, b as e d

o n pr e vi o us lit er at ur e ( e. g., M c L a n dr ess et al., 2 0 1 0; O b erl ä n d er ‐H a y n et al., 2 0 1 5).

6. F ut u r e C h a n g e s i n t h e S u rf a c e I m p a ct of S S W E v e nt s

6. 1. S u rf a c e R e s p o n s e t o S S W E v e nt s

I n a d diti o n t o c h a n g es i n S S W fr e q u e n c y, a m plit u d e, a n d s e as o n alit y, it is als o c o n c ei v a bl e t h at t h e s urf a c e

i m p a ct of S S W e v e nts mi g ht c h a n g e as a c o ns e q u e n c e of i n cr e as e d C O2 . W hil e d et ail e d q u a ntit ati v e d es cri p-

ti o n of t h e m e c h a nis m f or c o u pli n g b et w e e n S S W e v e nts a n d s urf a c e r e m ai ns el usi v e, t h er e is n o w a l ar g e

b o d y of e vi d e n c e q u a ntif yi n g t h e a m plit u d e a n d s p ati al str u ct ur e of t h e s urf a c e pr ess ur e a n d t e m p er at ur e

r es p o ns es f oll o wi n g S S W e v e nts ( e. g., B al d wi n & D u n k ert o n, 2 0 0 1; B utl er et al., 2 0 1 7; P ol v a ni et al.,

2 0 1 7). A n u m b er of st u di es p oi nt t o t h e i m p ort a n c e of e d d y ‐j et f e e d b a c ks i n d et er mi ni n g t his s urf a c e

r es p o ns e ( e. g., G ar fi n k el et al., 2 0 1 3 ; K us h n er & P ol v a ni, 2 0 0 4 ; S o n g & R o bi ns o n, 2 0 0 4). It is t h er ef or e pl a u-

si bl e t h at t o g et h er wit h c h a n g es i n t h e p ositi o n a n d v ari a bilit y of t h e e xtr atr o pi c al j et c a us e d b y C O 2

i n cr e as es, o n e mi g ht b e a bl e t o d et e ct c h a n g es i n t h e s urf a c e r es p o ns e f oll o wi n g S S W e v e nts.

T o t est t his i d e a, w e a n al y z e fi rst c o m p osit e m a ps of a n o m al o us s urf a c e t e m p er at ur e a n d s e a ‐l e v el pr ess ur e

( S L P) f or t h e p eri o d 1 5– 6 0 d a ys aft er S S Ws i n t h e pi C o ntr ol si m ul ati o n ( Fi g ur e 7). I n n e arl y all m o d els, w e

o bt ai n t h e t y pi c al S L P a n d s urf a c e t e m p er at ur e p att er ns f oll o wi n g S S Ws t h at ar e als o d et e ct e d i n r e a n al ysis

( alt h o u g h C O2 f or ci n g is diff er e nt), t h at is, n e g ati v e N ort h er n A n n ul ar M o d e p att er n ( p arti c ul arl y o v er t h e

p ol e) a n d E ur asi a n c o oli n g a n d N ort h e ast er n A m eri c a n w ar mi n g. N o n e of t h e m o d els pr o d u c e a p ositi v e

S L P a n o m al y i n t h e P a ci fi c b asi n t h at c a n b e f o u n d i n t h e J R A 5 5 c o m p osit e t h o u g h. D es pit e t h e r el ati v el y

str u ct ur al si mil ariti es a cr oss m o d els, t h e a m plit u d e of t h e r es p o ns e c a n v ar y b y a f a ct or of 2 or 3 b et w e e n

t h e m. T h e a m plit u d es of S L P a n o m ali es i n 5 of t h e 1 1 m o d els ( C E S M 2‐W A C C M, G F D L ‐C M 4, H a d G E M 3 ‐

G C 3 1 ‐L L, I P S L ‐C M 6 A ‐L R, a n d MI R O C 6) ar e t o o w e a k. M or e o v er, e v e n t h e r est of t h e m o d els t h at d o a r e a-

s o n a bl e j o b of t h e p ol ar c a p S L P si g n al si g ni fi c a ntl y u n d er esti m at e t h e s urf a c e t e m p er at ur e r es p o ns e o v er t h e

L a br a d or S e a a n d t o t h e e ast of Gr e e nl a n d. T his is c o nsist e nt wit h Hit c h c o c k a n d Si m ps o n ( 2 0 1 4) t h at ar g u e d

t h e n e ar‐s urf a c e t e m p er at ur e r es p o ns e t o S S W w as u n d er esti m at e d i n s p e ci fi c r e gi o ns i n C MI P 5 m o d els. T h e

a m plit u d e of t h e si g n al i n t h e tr o p os p h er e d o es n ot c orr el at e wit h t h e S S W fr e q u e n c y. It is als o n ot a pr o bl e m

of m o d el bi as es i n t h e si m ul ati o n of S S Ws m e nti o n e d i n s e cti o n 3 eit h er. T h e l ar g e S S W s a m pl e si z e fr o m t h e

pi C o ntr ol si m ul ati o ns m e a ns t h at t h e esti m at es of s urf a c e i m p a ct ar e v er y r o b ust.

S e c o n d, w e c o m p ar e t h e S L P p att er n aft er S S Ws i n t h e a br u pt 4 x C O 2 a n d pi C o ntr ol si m ul ati o ns ( Fi g ur e 8,

diff er e n c es i n S L P b et w e e n b ot h r u ns ar e s h o w n i n s h a di n g). T h e o v er all S S W si g n al i n S L P a p p e ars

u n c h a n g e d b et w e e n t h e pi C o ntr ol a n d a br u pt 4 x C O 2 si m ul ati o ns, e x c e pt i n t hr e e m o d els ( C E S M 2,

H a d G E M 3 ‐G C 3 1 ‐L L, a n d I P S L ‐C M 6 A ‐L R) t h at pr o d u c e a si g ni fi c a ntl y str o n g er N ort h er n A n n ul ar

M o d e ‐li k e r es p o ns e. H o w e v er, i n t h e P a cifi c b asi n, t h er e ar e s o m e i n di c ati o ns a b o ut a p ot e nti al m or e g e n er al

c h a n g e d u e t o a hi g h er C O 2 l o a di n g. I n d e e d, 6 of t h e 1 1 m o d els e x hi bit a st atisti c all y str o n g er n e g ati v e S L P

a n o m al y i n t h at ar e a u n d er a br u pt 4 x C O 2 f or ci n g t h a n i n t h e pi C o ntr ol r u ns. T his c o ul d b e r el at e d t o s o m e

c h a n g es i n t h e tr o p os p h eri c pr e c urs ors of S S Ws b e c a us e t h es e a n o m ali es h a v e b e e n i d e nti fi e d as t h e r e m ai n-

d er of t h e d e e p e ni n g of t h e Al e uti a n l o w pr e c e di n g S S Ws i n o bs er v ati o ns ( A y ar z a g ü e n a et al., 2 0 1 9; C h arlt o n

& P ol v a ni, 2 0 0 7). N e v ert h el ess, m or e w or k is r e q uir e d t o u n d erst a n d all t h e d et ails.

Pl e as e n ot e t h at w h e n r estri cti n g t h e a n al ysis t o t h e y e ars 7 5 – 1 5 0 i n I P S L ‐C M 6 A ‐L R, si mil ar r es ults ar e

f o u n d b ut wit h a r e d u cti o n i n t h e ar e as wit h st atisti c al si g nifi c a n c e d u e t o a l o w er n u m b er of

e v e nts c o nsi d er e d.

6. 2. P J O s

I n t his s u bs e cti o n w e f o c us o n s p e cifi c e v e nts ( P J Os) t h at ar e cl os el y r el at e d t o S S Ws a n d t h e

str at os p h er e ‐tr o p os p h er e c o u pli n g ( Hit c h c o c k et al., 2 0 1 3). As i n di c at e d i n s e cti o n 1, t h eir str o n g a n d p ersis-

t e nt tr o p os p h eri c r es p o ns e e x pl ai ns t h e i nt er est i n i n v esti g ati n g p ossi bl e c h a n g es i n t h e o c c urr e n c e of t h es e

e v e nts f or i n cr e asi n g C O 2 c o n c e ntr ati o ns.

First, e x a mi ni n g t h e s urf a c e r es p o ns e t o P J Os i n t h e pi C o ntr ol e x p eri m e nt ( Fi g ur e S 1) c o n fi r ms t h at t h es e

e v e nts i n m o d els h a v e a str o n g er si g n al i n t h e tr o p os p h er e t h a n all S S Ws t o o. I n J R A ‐5 5, r o u g hl y h alf of

all S S Ws ar e ass o ci at e d wit h a P J O e v e nt ( P J O S S W) (s oli d li n e i n Fi g ur e 9). Si x m o d els i n cl u d e t h e



Fi g u r e 7. C o m p osit e m a ps of a n o m al o us S L P ( c o nt o ur i nt er v al 1 h P a) a n d 2 m t e m p er at ur e (s h a di n g) f or 1 5/ 6 0 d a ys aft er

S S Ws i n pi C o ntr ol si m ul ati o n a n d J R A ‐5 5 r e a n al ysis ( b ott o m ri g ht). Gr e e n sti p pli n g i n di c at es st atisti c all y si g ni fi c a ntdiff er e n c es i n S L P fr o m J R A ‐5 5 r e a n al ysis at t h e 9 5 % c o n fi d e n c e l e v el. N u m b ers i n titl es i n di c at e t h e n u m b er of e v e nts

c o nsi d er e d.



Fi g u r e 8. A br u pt 4 x C O 2 ‐mi n us ‐pi C o ntr ol c o m p osit e m a ps of a n o m al o us S L P (s h a di n g, h P a) f or 1 5/ 6 0 d a ys aft er S S Ws.

A n o m al o us S L P aft er S S Ws i n pi C o ntr ol r u n is s h o w n i n c o nt o urs (i nt er v al: 1 h P a). Gr e e n sti p pli n g i n di c at es st atisti-c all y si g ni fi c a nt diff er e n c es fr o m pi C o ntr ol r u n at t h e 9 5 % c o n fi d e n c e l e v el. N u m b ers i n titl es i n di c at e t h e n u m b er ofe v e nts c o nsi d er e d i n t h e pi C o ntr ol ( pi C) a n d a br u pt 4 x C O 2 ( 4 x) si m ul ati o ns.



J R A ‐5 5 v al u e of t h e r ati o of P J O S S W e v e nts i n t h eir c o n fi d e n c e i nt er v al i n t h e pi C o ntr ol si m ul ati o ns ( M RI ‐

E S M 2 ‐0, U K E S M 1 ‐0 ‐L L, C a n E S M 5, H a d G E M 3 ‐G C 3 1 ‐L L, I N M ‐C M 5 ‐0, a n d G F D L ‐C M 4). T h e ot h er m o d els

u n d er esti m at e t his fr a cti o n. H o w e v er, w e d o n ot fi n d a cl e ar r el ati o ns hi p b et w e e n t his fr a cti o n a n d t h e

a m plit u d e of S L P p att er n f oll o wi n g S S Ws. F or i nst a n c e, H a d G E M 3 ‐G C 3 1 ‐L L a n d G F D L ‐C M 4 si m ul at e a

v er y w e a k S L P p att er n ( Fi g ur e 7), b ut t h e r ati o of P J O S S Ws is cl os e t o o bs er v ati o ns or e v e n l ar g er.

I n t h e f ut ur e, si mil ar t o c h a n g es i n S S W fr e q u e n c y, t h er e is n o r o b ust r es p o ns e of P J O S S Ws a cr oss m o d els t o

i n cr e asi n g C O2 ( Fi g ur e 9). R o u g hl y h alf of t h e m o d els s h o w a d e cr e as e a n d h alf of t h e m a n i n cr e as e i n P J O

S S W e v e nts b et w e e n t h e pi C o ntr ol a n d a br u pt 4 x C O 2 si m ul ati o ns. M or e i nt er esti n gl y, t w o of t h e t hr e e m o d-

els wit h a str o n g er N ort h er n A n n ul ar M o d e r es p o ns e t o S S Ws i n t h e a br u pt 4 x C O 2 r u n (I P S L‐C M 6 A ‐L R a n d

H a d G E M 3 ‐G C 3 1 ‐L L) dis pl a y a n i n cr e as e i n t his s u bs et of S S Ws t o o. T h e ot h er o n e ( C E S M 2) d o es n ot s h o w a

si g nifi c a nt c h a n g e i n t h e fr a cti o n of S S Ws t h at ar e P J Os. N e v ert h el ess, gi v e n t h e l o w n u m b er of m o d els, it is

dif fi c ult t o m a k e a dir e ct li n k b et w e e n c h a n g es i n t h e n u m b er of P J O S S Ws a n d str o n g er S S W c o u pli n g t o t h e

s urf a c e u n d er i n cr e as e d C O 2 l o a di n g.

7. C o n cl u si o n s

S S Ws ar e t h e pri m ar y d y n a mi c al e v e nt i n t h e wi nt erti m e p ol ar str at os p h er e a n d h a v e cl e ar i m p a cts o n t h e

tr o p os p h eri c cir c ul ati o n o n s u bs e as o n al t o s e as o n al ti m e s c al es. T his st u d y t a k es a d v a nt a g e of t h e n e w s ets

of si m ul ati o ns a v ail a bl e t hr o u g h t h e D y n V ar MI P s u b pr oj e ct of C MI P 6 t o r e visit a n u m b er of q u esti o ns a b o ut

h o w S S W e v e nts a n d t h e str at os p h eri c s e as o n al c y cl e mi g ht r es p o n d t o q u a dr u pl e d C O 2 c o n c e ntr ati o ns. I n

c o m p aris o n wit h pr e vi o us r o u n ds of C MI P a n d c o m p aris o ns m a d e as p art of t h e C C M V al a n d C C MI pr o-

j e cts, t h e n e w si m ul ati o ns pr o vi d e si g nifi c a nt a d v a n c es i n o ur a bilit y t o st u d y S S Ws. I n p arti c ul ar, t h e l o n g

pi C o ntr ol r u ns a n d t h e a v ail a bilit y of d ail y d at a of a br u pt 4 x C O 2 si m ul ati o ns fr o m a l ar g e n u m b er of hi g h ‐t o p

m o d els ar e u n pr e c e d e nt e d.

Fr o m o ur a n al ysis of t h e 1 2 m o d els f or w hi c h s uf fi ci e nt d ail y ti m e r es ol uti o n str at os p h eri c d at a w er e a v ail-

a bl e, t h es e c o n cl usi o ns c a n b e dr a w n a b o ut t h e i m p a ct of e xtr e m e C O 2 c o n c e ntr ati o ns o n S S W e v e nts:

1. T h er e is n o c o ns e ns us a m o n g m o d els o n t h e si g n of c h a n g es i n S S W fr e q u e n c y t o i n cr e as e i n C O 2 f or ci n g.

2. It is, h o w e v er, p ossi bl e t o s a y wit h c o n fi d e n c e t h at m a n y m o d els pr e di ct t h at S S W fr e q u e n c y is s e nsiti v e

t o i n cr e as e i n C O2 f or ci n g.

3. T h er e is n o c h a n g e t o t h e i m p a ct of S S W e v e nts i n t h e N ort h Atl a nti c b et w e e n t h e a br u pt 4 x C O 2 a n d

pi C o ntr ol si m ul ati o ns. I n t h e N ort h P a ci fi c, t h er e is s o m e i n di c ati o n t h at u n d er l ar g e C O 2 f or ci n g, t h er e

will b e a l ar g er m e a n r es p o ns e t o S S W e v e nts.

Fi g u r e 9. Fr a cti o n ( %) of S S Ws t h at ar e als o P J Os i n pi C o ntr ol (s oli d b ars) a n d a br u pt 4 x C O 2 ( o p e n b ar) r u ns. H ori z o nt albl a c k s oli d a n d d as h e d li n e c orr es p o n d t o t h e m e a n v al u e a n d t h e 2. 5t h – 9 7. 5t h p er c e ntil e r a n g e i n J R A ‐5 5 r e a n al ysis,r es p e cti v el y. Err or b ars ar e b as e d o n b o otstr a p pi n g.



4. Wit h t h e e x c e pti o n of M RI ‐E S M ‐2 ‐0, pr e di ct e d tr e n ds i n S S W fr e q u e n c y ar e s m all r el ati v e t o n at ur al

v ari a bilit y ( as c h ar a ct eri z e d b y t h e pi C o ntr ol si m ul ati o ns of e a c h m o d el). T his is n ot t o s a y t h at S S W

c h a n g es ar e t h e ms el v es s m all (t hr e e m o d els pr e di ct fr e q u e n c y c h a n g es of m or e t h a n a f a ct or of 2 c o m-

p ar e d t o pi C o ntr ol c o n diti o ns) b ut m or e a r e fl e cti o n of t h e l ar g e, n at ur al d e c a d al v ari a bilit y i n S S W

o c c urr e n c e. As s u c h, c h a n g es i n S S W fr e q u e n c y ar e u nli k el y t o b e o bs er v e d u ntil t h e e n d of t h e 2 1st

c e nt ur y.

5. R o b ust c h a n g es t o t h e s e as o n al c y cl e i n t h e str at os p h er e ar e pr e di ct e d b y all m o d els. T h e str at os p h eri c

p ol ar v ort e x is li k el y t o f or m e arli er a n d d e c a y l at er i n t h e f ut ur e. T his e xt e n ds t h e s e as o n i n w hi c h t h e

str at os p h er e c a n a cti v el y c o u pl e t o t h e tr o p os p h er e a n d i n fl u e n c e s urf a c e w e at h er.

6. T h er e is n o e vi d e n c e of a n i n cr e as e d li k eli h o o d of m aj or S S Ws i n t h e S H i n t h e f ut ur e.

T h es e r es ults u n d ers c or e t h e c o n cl usi o ns of a n u m b er of pr e vi o us st u di es of S S W e v e nts a n d als o m oti v at e

t h e n e e d f or m or e d et ail e d u n d erst a n di n g of t h e str at os p h eri c m o m e nt u m b u d g et i n m o d els as a d v o c at e d

b y, f or e x a m pl e, W u et al. ( 2 0 1 9), w hi c h is n o w p ossi bl e wit h t h e si m ul ati o ns a v ail a bl e t hr o u g h

D y n V ar MI P. Si mil arl y, d e v el o pi n g a n u n d erst a n di n g of h o w b ot h m o d el f or m ul ati o n a n d r es ol uti o n a n d

E C S mi g ht i n fl u e n c e d y n a mi c al s e nsiti vit y i n t h e str at os p h er e r e m ai ns a n i m p ort a nt b ut u ns ol v e d c h all e n g e

f or t h e str at os p h eri c d y n a mi cs c o m m u nit y.

A p p e n di x A: St ati sti c al F r a m e w o r k

A. 1. St ati sti c al M et h o d ol o g y f o r C o m p a ri n g S S W F r e q u e n c y

A. 1. 1. P a r a m et ri c M et h o d

T o c o m p ar e t h e fr e q u e n c y of S S W e v e nts i n t w o m o d els or b et w e e n a m o d el a n d o bs er v ati o ns, it c a n b e

ass u m e d t h at e a c h d at a s a m pl e is a P oiss o n pr o c ess wit h a n a n n u al r at e λ i. T h e diff er e n c e b et w e e n t h e i nt e n-

sit y of t h e t w o pr o c ess es Δ λ is gi v e n i n e q u ati o n ( A 1)

Δ λ ¼λ 0 − λ 1ð Þffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiλ 0

N 0þ λ 1

N 1

q : ( A 1)

T his c a n b e m o d el e d wit h a n or m al distri b uti o n pr o vi di n g t h e fr e q u e n c y of o bs er v e d e v e nts is gr e at er t h a n 3 0

( C h arlt o n et al. 2 0 0 7). T his a p pr o a c h h as b e e n wi d el y us e d i n t h e lit er at ur e.

A n alt er n ati v e a p pr o a c h t h at c o m p ar es t h e r ati o of t h e r at e of t h e t w o P oiss o n pr o c ess es h as b e e n st u di e d b y

G u et al. ( 2 0 0 8).

H 0 :λ 0 = λ 1 ¼ 1 a g ai nst H A :λ 0 = λ 1 ≠ 1 : ( A 2)

G u et al. ( 2 0 0 8) s u g g est t h at a c o ns er v ati v e t est st atisti c wit h hi g h p o w er is t h e o n e s u g g est e d b y H uff m a n

( 1 9 8 4) ( h er e X i is t h e n u m b er of S S Ws i n e a c h d at a s et a n d ρ = t0 / t1 t h e r ati o of t h e l e n gt h of o bs er v ati o n

of t h e t w o pr o c ess es):

W X 0 ; X 1ð Þ ¼2

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiX 0 þ 3

8

q−

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiρ X 1 þ 3

8

qh i

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1 þ ρ

p : ( A 3)

T h e p v al u e f or t his st atisti c is esti m at e d as i n e q u ati o n ( A 4), w h er e ϕ is t h e c u m ul ati v e distri b uti o n f u n cti o n

of t h e st a n d ar d n or m al a n d t h e o bs er v e d v al u e of t h e t est st atisti c W (X 0 , X 1 ) = w (x 0 , x 1 ):

p ¼ 1 − 2 * Φ w j x 0 ; x 1ð Þ : ( A 4)

T his is t h e p ar a m etri c t est st atisti c us e d t o c o m p ar e S S W fr e q u e n c y. I n a d diti o n t o c al c ul ati n g t h e p v al u e of

a n y t est st atisti c, it is als o us ef ul, a pri ori, t o esti m at e t h e st atisti c al p o w er of a n y t esti n g fr a m e w or k. T ests

wit h hi g h st atisti c al p o w er mi ni mi z e t h e li k eli h o o d of T y p e ‐II err ors (i. e., t h at t h e n ull h y p ot h esis is n ot

r ej e ct e d w h e n it is, i n d e e d, f als e). F or t h e t est st atisti c d es cri b e d a b o v e, w e esti m at e d t h e st atisti c al p o w er

f or a c o m p aris o n wit h o bs er v ati o ns of 6 0 wi nt ers wit h a n S S W fr e q u e n c y of 0. 6. Ass u mi n g a p v al u e of



0. 0 5, t h e st atisti c al p o w er of t h e t est is hi g h ( a b o v e 0. 8) f or m o d el i nt e gr ati o ns of m or e t h a n 1 0 0 wi nt ers (t h e

n ull h y p ot h esis will b e r ej e ct e d wit h a pr o b a bilit y a b o v e 0. 8) w hi c h is t h e c as e f or all c o m p aris o ns i n t his

st u d y a p art fr o m t h e c o m p aris o n b et w e e n t h e hist ori c al si m ul ati o ns a n d t h e J R A ‐5 5 r e a n al ysis. I n t his l at er

c as e, t h e p o w er of t h e t est is l o w o nl y f or c as es i n w hi c h t h e o bs er v e d a n d m o d el e d S S W fr e q u e n c y is v er y

si mil ar (i. e., f or m o d el S S W fr e q u e n ci es of 0. 2 a n d 1 S S W p er y e ar, t h e p o w er is gr e at er t h a n 0. 8).

A. 1. 2. B o ot st r a p pi n g M et h o d

As a n alt er n ati v e t o t h e p ar a m etri c t est, w e c a n als o c o nstr u ct a b o otstr a p pi n g t est as o utli n e d b y B o os ( 2 0 0 3).

W e ass u m e t h at t h er e ar e t w o s ets of i n d e p e n d e nt s a m pl es of t h e n u m b er of S S W e v e nts i n e a c h s e as o n { X 1 ,

… , X m } a n d {Y 1 , … , Y n }. T o d et er mi n e t h e c o nfi d e n c e i nt er v al f or t h e diff er e n c e of m e a n fr e q u e n c y of t h e t w o

s ets μ x − μ y , t w o s a m pl es ( of e q u al si z e t o t h e ori gi n al s a m pl es) ar e dr a w n fr o m t h e p o ol e d o bs er v ati o n s et

{X 1 , … , X m , Y 1 , … , Y n }, wit h r e pl a c e m e nt. T h e p v al u e of t h e tr u e o bs er v ati o n is c al c ul at e d as t h e n u m b er

of b o otstr a p s a m pl es wit h a n a bs ol ut e diff er e n c e gr e at er t h a n t h e tr u e v al u e. I n all c as es, 1 0, 0 0 0 b o ostr a p

s a m pl e ar e dr a w n.

T his b o otstr a p pi n g t e c h ni q u e w as als o a p pli e d t o d et er mi n e t h e c o n fi d e n c e i nt er v als o n t h e s e as o n al distri-

b uti o n of S S W fr e q u e n c y. W e c h o os e t o p erf or m t h e b o otstr a p pi n g o n i n di vi d u al wi nt ers o v er a bl o c k b o ot-

str a p pi n g a p pr o a c h t o i n cr e as e t h e s a m pl e si z e a v ail a bl e f or m o d els t h at h a v e a li mit e d l e n gt h of pi C o ntr ol

si m ul ati o n a v ail a bl e. W e h a v e, t h er ef or e, ass u m e d t h at t h er e is n o a ut o c orr el ati o n fr o m o n e wi nt er t o t h e

n e xt, b ut c o m p aris o n wit h a bl o c k ‐b o otstr a p pi n g a p pr o a c h f or t h e m o d els t h at h a v e l o n g pi C o ntr ol si m ul a-

ti o ns pr o d u c e d si mil ar u n c ert ai nt y r a n g es ( n ot s h o w n), i n di c ati n g t h at t his ass u m pti o n is r e as o n a bl e. F or

Fi g ur e 2, t h e u n c ert ai nt y r a n g e is d eri v e d fr o m t h e pi C o ntr ol si m ul ati o n. Si n c e t h er e ar e 5 7 y e ars i n t h e

J R A 5 5 r e c or d, w e r es a m pl e 5 7 y e ars fr o m t h e pi C o ntr ol si m ul ati o n, wit h r e pl a c e m e nt a n d r e c al c ul at e t h e

S S W distri b uti o n, n or m ali z e d b y t h e n u m b er of S S Ws i n t h at s a m pl e. T his is r e p e at e d 1, 0 0 0 ti m es, a n d

t h e u n c ert ai nt y r a n g e s h o ws t h e 2. 5t h t o 9 7. 5t h p er c e ntil e r a n g e of t h es e 1, 0 0 0 s a m pl es ( 9 5 % c o n fi d e n c e

i nt er v al), t h at is, t his is t h e u n c ert ai nt y r a n g e fr o m t h e m o d el wit h a n e q ui v al e nt n u m b er of y e ars t o t h at

of t h e o bs er v ati o ns.

A. 2. T r e n d i n S S W F r e q u e n c y a n d Ti m e of E m e r g e n c e

A n al o g o usl y t o t h e m et h o d of H a w ki ns a n d S utt o n ( 2 0 1 2), t h e ti m e of e m er g e n c e of a “ si g n al ” i n t h e fr e-

q u e n c y of S S W e v e nts is esti m at e d b y c o m p ari n g t h e si z e of t h e tr e n d i n S S W fr e q u e n c y i n t h e 1 p ct C O 2

si m ul ati o ns wit h t h e “ n ois e ” d et er mi n e d fr o m t h e pi C o ntr ol si m ul ati o n of t h e s a m e m o d el.

T o c al c ul at e t h e si g n al t er m i n e a c h i nt e gr ati o n, a G e n er ali z e d Li n e ar M o d el fi t t o t h e d at a wit h a l o g arit h-

mi c li n k f u n cti o n i m pl e m e nt e d i n R is us e d. Tr e n d esti m at es f or d e c a d al S S W fr e q u e n c y i n t h e 1 p ct C O 2

si m ul ati o ns. M o di fi c ati o n t o t h e m et h o d f oll o wi n g ( htt ps://st ats.i dr e. u cl a. e d u/r/ d a e/ p oiss o n ‐r e gr essi o n/)

t o a c c o u nt f or c as es wit h mil d vi ol ati o n of t h e P oiss o n distri b uti o n i n t h e m o d els is i n cl u d e d. T h e r es ulti n g

r e gr essi o n e q u ati o n is of t h e f or m:

F ss w tð Þ ¼ e β 0 þ β t t: ( A 5)

Tr e n d t er ms ar e e x pr ess e d as a fr a cti o n al m ulti pli er of t h e c o u nt p er d e c a d e. D u e t o t h e l o w m e a n a n n u al

fr e q u e n c y of S S W e v e nts, t h e n ois e o n a n n u al m e a n fr e q u e n c y esti m at es is l ar g e, t h er ef or e w h e n esti m ati n g

tr e n ds i n S S W fr e q u e n c y a n d ti m e of e m er g e n c e, w e c o nsi d er t h e d e c a d al m e a n S S W fr e q u e n c y. T his m e a ns

t h at ti m e of e m er g e n c e c al c ul ati o ns ar e li mit e d t o t h e d e c a d e of e m er g e n c e.

R ef e r e n c e sA n dr e ws, D. G., H olt o n, J. R., & L e o v y, C. B. ( 1 9 8 7). Mi d dl e at m os p h er e d y n a mi cs . Orl a n d o, F L: A c a d e mi c.

A y ar z a g ü e n a, B., L a n g e m at z, U., M e ul, S., O b erl ä n d er, S., A b ali c hi n, J., & K u bi n, A. ( 2 0 1 3). T h e r ol e of cli m at e c h a n g e a n d o z o n e r e c o v er y

f or t h e f ut ur e ti mi n g of m aj or str at os p h eri c w ar mi n gs. G e o p h ysi c al R es e ar c h L ett ers , 4 0 ( 1 0), 2 4 6 0– 2 4 6 5. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 2 / grl. 5 0 4 7 7

A y ar z a g ü e n a, B., P al m eir o, F. M., B arri o p e dr o, D., C al v o, N., L a n g e m at z, U., & S hi b at a, K. ( 2 0 1 9). O n t h e r e pr es e nt ati o n of m aj or str a-

t os p h eri c w ar mi n gs i n r e a n al ys es. At m os p h eri c C h e mistr y a n d P h ysi cs , 1 9 , 9 4 6 9– 9 4 8 4. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 5 1 9 4/ a c p ‐1 9 ‐9 4 6 9 ‐2 0 1 9

A y ar z a g ü e n a, B., P ol v a ni, L. M., L a n g e m at z, U., A ki y os hi, H., B e k ki, S., B ut c h art, N., et al. ( 2 0 1 8). N o r o b ust e vi d e n c e of f ut ur e c h a n g es i n

m aj or str at os p h eri c s u d d e n w ar mi n gs: A m ulti ‐m o d el ass ess m e nt fr o m C C MI. At m os p h eri c C h e mistr y a n d P h ysi cs , 1 8 ( 1 5),

1 1, 2 7 7 – 1 1, 2 8 7. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 5 1 9 4 / a c p ‐1 8 ‐1 1 2 7 7 ‐2 0 1 8

A y ar z a g ü e n a, B., & S err a n o, E. ( 2 0 0 9). M o nt hl y c h ar a ct eri z ati o n of t h e tr o p os p h eri c cir c ul ati o n o v er t h e E ur o ‐Atl a nti c ar e a i n r el ati o n wit h

t h e ti mi n g of str at os p h eri c fi n al w ar mi n gs. J o ur n al of Cli m at e , 2 2 , 6 3 1 3– 6 3 2 4.



A c k n o wl e d g m e nt s

B. A. w as s u p p ort e d b y t h e S p a ni s h

Mi nistr y of S ci e n c e, I n n o v ati o n a n d

U ni v ersiti es t hr o u g h t h e J e Di S

( R TI 2 0 1 8‐0 9 6 4 0 2 ‐B ‐I 0 0) pr oj e ct. T hi s

r es e ar c h is p art of P O L A R C SI C

a cti viti es. T h e w or k of L. M. P. is

f u n d e d, i n p art, b y a gr a nt fr o m t h e U. S.

N ati o n al S ci e n c e F o u n d ati o n t o

C ol u m bi a U ni v ersit y. N. B. w as

s u p p ort e d b y t h e M et Of fi c e H a dl e y

C e ntr e Cli m at e Pr o gr a m m e f u n d e d b y

B EI S a n d D efr a. E. P. G. a c k n o wl e d g es

s u p p ort fr o m t h e N S F t hr o u g h A w ar d

A G S ‐1 8 5 2 7 2 7. E. M. a c k n o wl e d g e s

s u p p ort fr o m t h e Bl u e ‐A cti o n pr oj e ct,

Gr a nt A gr e e m e nt 7 2 7 8 5 2, E ur o p e a n

U ni o n's H ori z o n 2 0 2 0 r es e ar c h a n d

i n n o v ati o n pr o gr a m m e. C. O. t h a n ks

t h e s u p p ort a n d r es o ur c es pr o vi d e d b y

t h e N A S A M o d eli n g, A n al ysis a n d

Pr e di cti o n pr o gr a m a n d t h e N A S A

Hi g h ‐E n d C o m p uti n g ( H E C) Pr o gr a m

t hr o u g h t h e N A S A C e nt er f or Cli m at e

Si m ul ati o n ( N C C S) at G o d d ar d S p a c e

Fli g ht C e nt er. S. W. w as s u p p ort e d b y

t h e “ I nt e gr at e d R es e ar c h Pr o gr a m f or

A d v a n ci n g Cli m at e M o d els ( T O U G O U

Pr o gr a m) ” fr o m t h e Mi nistr y of

E d u c ati o n, C ult ur e, S p orts, S ci e n c e,

a n d T e c h n ol o g y ( M E X T), J a p a n. W e

a c k n o wl e d g e t h e W orl d Cli m at e

R es e ar c h Pr o gr a m m e, w hi c h, t hr o u g h

its W or ki n g Gr o u p o n C o u pl e d

M o d elli n g, c o or di n at e d a n d pr o m ot e d

C MI P 6. W e t h a n k t h e cli m at e m o d eli n g

gr o u ps f or pr o d u ci n g a n d m a ki n g

a v ail a bl e t h eir m o d el o ut p ut, t h e E art h

S yst e m Gri d F e d er ati o n ( E S G F) f or

ar c hi vi n g t h e d at a a n d pr o vi di n g a c c ess,

a n d t h e m ulti pl e f u n di n g a g e n ci e s w h o

s u p p ort C MI P 6 a n d E S G F. T h e a ut h ors

t h a n k t h e W C R P S P A R C f or s u p p ort of

t h e D y n V ar A cti vit y, w hi c h s p urr e d t h e

f or m ati o n of t h e D y n V ar MI P. C MI P 6

d at a ar e all o c at e d at t h e E S G F ar c hi v e

( htt ps:/ / es gf‐n o d e.ll nl. g o v/ pr oj e cts /

c mi p 6 /). T h e J a p a n es e 5 5 ‐y e ar

R e a n al ysi s ( J R A ‐5 5) pr oj e ct w as c arri e d

o ut b y t h e J a p a n M et e or ol o gi c al A g e n c y

( J M A). J R A‐5 5 d at a w er e a c c ess e d

t hr o u g h N C A R‐ U C A R R es e ar c h D at a

Ar c hi v e ( htt ps:/ /r d a. u c ar. e d u).

https://stats.idre.ucla.edu/r/dae/poisson-regression/

https://doi.org/10.1002/grl.50477

https://doi.org/10.5194/acp-19-9469-2019

https://doi.org/10.5194/acp-18-11277-2018

https://esgf-node.llnl.gov/projects/cmip6/

https://esgf-node.llnl.gov/projects/cmip6/

https://rda.ucar.edu

B al d wi n, M. P., & D u n k ert o n, T. J. ( 2 0 0 1). Str at os p h eri c h ar bi n g ers of a n o m al o us w e at h er r e gi m es. S ci e n c e , 2 9 4 , 5 8 1– 5 8 4.

B ell, C. J., Gr a y, L. J., & K ettl e b or o u g h, J. ( 2 0 1 0). C h a n g es i n N ort h er n H e mis p h er e str at os p h eri c v ari a bilit y u n d er i n cr e as e d C O 2 c o n-

c e ntr ati o ns. Q u art erl y J o ur n al of t h e R o y al M et e or ol o gi c al S o ci et y , 1 3 6 , 1 1 8 1– 1 1 9 0.

Bl a c k, R. X., & M c D a ni el, B. A. ( 2 0 0 7). I nt er a n n u al v ari a bilit y i n t h e S o ut h er n H e mis p h er e cir c ul ati o n or g a ni z e d b y str at os p h eri c fi n al

w ar mi n g e v e nts. J o ur n al of t h e At m os p h eri c S ci e n c es , 6 4 , 2 9 6 8– 2 9 7 4.

Bl a c k, R. X., M c D a ni el, B. A., & R o bi ns o n, W. A. ( 2 0 0 6). Str at os p h er e ‐tr o p os p h er e c o u pli n g d uri n g s pri n g o ns et. J o ur n al of Cli m at e , 1 9 ,

4 8 9 1 – 4 9 0 0 1.

B o os, D. D. ( 2 0 0 3). I ntr o d u cti o n t o t h e b o otstr a p w orl d. St atisti c al S ci e n c e , 1 8 ( 2), 1 6 8– 1 7 4.

B o u c h er, O., D e n vil, S., C a u b el, A., & F o uj ols, M. A. ( 2 0 1 8). I P S L I P S L ‐C M 6 A ‐L R m o d el o ut p ut pr e p ar e d f or C MI P 6 C MI P. V ersi o n

2 0 1 9 0 7 2 2. E art h S yst e m Gri d F e d er ati o n. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 2 2 0 3 3/ E S G F/ C MI P 6. 1 5 3 4

B ut c h art, N., A u sti n, J., K ni g ht, J. R., S c aif e, A. A., & G all a ni, M. L. ( 2 0 0 0). T h e r es p o ns e of t h e str at os p h eri c cli m at e t o pr oj e ct e d c h a n g es i n

t h e c o n c e ntr ati o n of w ell‐mi x e d gr e e n h o u s e g as es fr o m 1 9 9 2 t o 2 0 5 1. J o ur n al of Cli m at e , 1 3 , 2 1 4 1– 2 1 5 9.

B ut c h art, N., C h arlt o n ‐P er e z, A. J., Ci o n ni, I., H ar di m a n, S. C., H a y n e s, P. H., Kr ü g er, K., et al. ( 2 0 1 1). M ulti m o d el cli m at e a n d v ari a bilit y of

t h e str at os p h er e. J o ur n al of G e o p h ysi c al R es e ar c h , 1 1 6 , D 0 5 1 0 2. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9 / 2 0 1 0 J D 0 1 4 9 9 5

B utl er, A. H., & G er b er, E. P. ( 2 0 1 8). O pti mi zi n g t h e d e fi niti o n of a s u d d e n str at os p h eri c w ar mi n g. J o ur n al of Cli m at e , 3 1 , 2 3 3 7– 2 3 4 4.

htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 1 7 5 / J C LI ‐D ‐1 7 ‐0 6 4 8. 1

B utl er, A. H., S ei d el, D. J., H ar di m a n, S. C., B ut c h art, N., Bir n er, T., & M at c h, A. ( 2 0 1 5). D e fi ni n g s u d d e n str at os p h eri c w ar mi n gs. B ull eti n of

t h e A m eri c a n M et e or ol o gi c al S o ci et y, 9 6 , 1 9 1 3– 1 9 2 8. B utl er, A. H., Sj o b er g, J., S ei d el, D., & R os e nl of, K. H. ( 2 0 1 7). A s u d d e n str at os p h eri c

w ar mi n g c o m p e n di u m. E art h S yst e m S ci e n c e D at a , 9 , 6 3– 7 6.

C h arlt o n, A. J., & P ol v a ni, L. M. ( 2 0 0 7). A n e w l o o k at str at os p h eri c s u d d e n w ar mi n gs. P art I: Cli m at ol o g y a n d m o d eli n g b e n c h m ar ks.

J o ur n al of Cli m at e , 2 0 , 4 4 9– 4 6 9.

C h arlt o n, A. J., P ol v a ni, L. M., P erl wit z, J., S assi, F., M a n zi ni, E., S hi b at a, K., et al. ( 2 0 0 7). A n e w l o o k at str at os p h eri c s u d d e n w ar mi n gs.

P art II: E v al u ati o n of n u m eri c al m o d el si m ul ati o ns. J o ur n al of Cli m at e , 2 0 , 4 7 0 – 4 8 8.

C h arlt o n ‐P ér e z, A. J., B al d wi n, M. P., Bir n er, T., Bl a c k, R. X., B utl er, A. H., C al v o, N., et al. ( 2 0 1 3). O n t h e l a c k of str at os p h eri c d y n a mi c al

v ari a bilit y i n l o w ‐t o p v ersi o ns of t h e C MI P 5 m o d els. J o ur n al of G e o p h ysi c al R es e ar c h: At m os p h er es , 1 1 8 , 2 4 9 4– 2 5 0 5. htt ps:// d oi. or g /

1 0. 1 0 0 2/j gr d. 5 0 1 2 5

C h arlt o n ‐P ér e z, A. J., P ol v a ni, L. M., A u sti n, J., & Li, F. ( 2 0 0 8). T h e fr e q u e n c y a n d d y n a mi cs of str at os p h eri c s u d d e n w ar mi n gs i n t h e 2 1st

c e nt ur y. J o ur n al of G e o p h ysi c al R es e ar c h , 1 1 3 , D 1 6 1 1 6. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9/ 2 0 0 7 J D 0 0 9 5 7 1

C h ar n e y, J. G., & Dr a zi n, P. G. ( 1 9 6 1). Pr o p a g ati o n of pl a n et ar y ‐s c al e dist ur b a n c es fr o m t h e l o w er i nt o t h e u p p er at m os p h er e. J o ur n al of

G e o p h ysi c al R es e ar c h , 6 6 , 8 3– 1 0 9. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 2 9/ J Z 0 6 6i 0 0 1 p 0 0 0 8 3

D a n a b as o gl u, G. ( 2 0 1 9). N C A R C E S M 2 ‐W A C C M m o d el o ut p ut pr e p ar e d f or C MI P 6 C MI P. V ersi o n 2 0 1 9 0 7 3 0. E art h S yst e m Gri d

F e d er ati o n. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 2 2 0 3 3/ E S G F/ C MI P 6. 1 0 0 2 4

D a n a b as o gl u, G., L a m ar q u e, J. F., B a c m eist er, J., B ail e y, D. A., D u Vi vi er, A. K., E d w ar ds, J., et al. ( 2 0 2 0). T h e C o m m u nit y E art h S yst e m

M o d el v ersi o n 2 ( C E S M 2). J o ur n al of A d v a n c es i n M o d eli n g E art h S yst e ms , 1 2 ( 2). htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 M S 0 0 1 9 1 6

D a n a b as o gl u, G., L a wr e n c e, D., Li n ds a y, K., Li ps c o m b, W., & Str a n d, G. ( 2 0 1 9). N C A R C E S M 2 m o d el o ut p ut pr e p ar e d f or C MI P 6 C MI P

hist ori c al. V ersi o n 2 0 1 9 0 7 3 0. E art h S yst e m Gri d F e d er ati o n. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 2 2 0 3 3/ E S G F/ C MI P 6. 7 6 2 7.

D o m eis e n, D. I. V., B utl er, A. H., C h arlt o n ‐P er e z, A. J., A y ar z a g ü e n a, B., B al d wi n, M. P., D u n n ‐Si g o ui n, E., et al. ( 2 0 1 9). T h e r ol e of t h e

str at os p h er e i n s u bs e as o n al t o s e as o n al pr e di cti o n. P art I: Pr e di ct a bilit y of t h e str at os p h er e. J o ur n al of G e o p h ysi c al R es e ar c h:

At m os p h er es , 1 2 5 . htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9 / 2 0 1 9 J D 0 3 0 9 2 0

E yri n g, V., B o n y, S., M e e hl, G. A., S e ni or, C. A., St e v e ns, B., St o uff er, R. J., & T a yl or, K. E. ( 2 0 1 6). O v er vi e w of t h e C o u pl e d M o d el

I nt er c o m p aris o n Pr oj e ct P h as e 6 ( C MI P 6) e x p eri m e nt al d esi g n a n d or g a ni z ati o n. G e os ci e nti fi c M o d el D e v el o p m e nt , 9 , 1 9 3 7– 1 9 5 8. htt ps://

d oi. or g/ 1 0. 5 1 9 4/ g m d ‐9 ‐1 9 3 7 ‐2 0 1 6

F els, S. B., M a hl m a n, J. D., S c h w ar z k o pf, M. D., & Si n cl air, R. W. ( 1 9 8 0). Str at os p h eri c s e nsiti vit y t o p ert ur b ati o ns i n o z o n e a n d c ar b o n

di o xi d e: R a di ati v e a n d d y n a mi c al r es p o ns e. J o ur n al of t h e At m os p h eri c S ci e n c es , 3 7 , 2 2 6 5– 2 2 9 7.

G ar fi n k el, C. I., W a u g h, D. W., & G er b er, E. P. ( 2 0 1 3). T h e eff e ct of tr o p os p h eri c j et l atit u d e o n c o u pli n g b et w e e n t h e str at os p h eri c p ol ar

v ort e x a n d t h e tr o p os p h er e. J o ur n al of t h e At m os p h eri c S ci e n c es , 2 6 , 2 0 7 7– 2 0 9 5.

G er b er, E., & M a n zi ni, E. ( 2 0 1 6). T h e D y n a mi cs a n d V ari a bilit y M o d el I nt er c o m p aris o n Pr oj e ct ( D y n V ar MI P) f or C MI P 6: Ass essi n g t h e

str at os p h er e ‐tr o p os p h er e s yst e m. G e os ci e nti fi c M o d el D e v el o p m e nt , 9 , 3 4 1 3 – 3 4 2 5.

G ett el m a n, A., Mills, M. J., Ki n nis o n, D. E., G ar ci a, R. R., S mit h, A. K., M ars h, D. R., et al. ( 2 0 1 9). T h e W h ol e At m os p h er e C o m m u nit y

Cli m at e M o d el V ersi o n 6 ( W A C C M 6). J o ur n al of G e o p h ysi c al R es e ar c h: At m os p h er es , 1 2 4 , 1 2, 3 8 0– 1 2, 4 0 3. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9 /

2 0 1 9 J D 0 3 0 9 4 3

Gr e g or y, J. M., I n gr a m, W. J., P al m er, M. A., J o n es, G. S., St ott, P. A., T h or p e, R. B., et al. ( 2 0 0 4). A n e w m et h o d f or di a g n osi n g r a di ati v e

f or ci n g a n d cli m at e s e nsiti vit y. G e o p h ysi c al R es e ar c h L ett ers , 3 1 , L 0 3 2 0 5. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9/ 2 0 0 3 G L 0 1 8 7 4 7

Gris e, K. M., & P ol v a ni, L. M. ( 2 0 1 6). Is cli m at e s e nsiti vit y r el at e d t o d y n a mi c al s e nsiti vit y ? J o ur n al of G e o p h ysi c al R es e ar c h , 1 2 1 , 5 1 5 9– 5 1 7 6.

htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 2 / 2 0 1 5 J D 0 2 4 6 8 7

G u, K., T o n y N g, H. K., T a n g, M. L., & S c h u c a n y, W. R. ( 2 0 0 8). T esti n g t h e r ati o of t w o P ois s o n r at es. Bi o m etri c al J o ur n al: J o ur n al of

M at h e m ati c al M et h o ds i n Bi os ci e n c es , 5 0 , 2 8 3– 2 9 8.

G u o, H., J o h n, J. G., Bl a nt o n, C., M c H u g h, C., Ni k o n o v, S., R a d h a kris h n a n, A., et al. ( 2 0 1 8). N O A A ‐G F D L G F D L ‐C M 4 m o d el o ut p ut.

V ersi o n 2 0 1 9 0 7 1 8. E art h S yst e m Gri d F e d er ati o n. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 2 2 0 3 3/ E S G F/ C MI P 6. 1 4 0 2

H ar di m a n, S. C., B ut c h art, N., C h arlt o n ‐P er e z, A. J., S h a w, T. A., A ki y os hi, H., B a u m g a ert n er, A., et al. ( 2 0 1 1). I m pr o v e d pr e di ct a bilit y of

t h e tr o p os p h er e usi n g str at os p h eri c fi n al w ar mi n gs. J o ur n al of G e o p h ysi c al R es e ar c h , 1 1 6 , D 1 8 1 1 3. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9/

2 0 1 1 J D 0 1 5 9 1 4

H ar v e y, B. J., S h affr e y, L. C., & W o olli n gs, T. J. ( 2 0 1 4). E q u at or ‐t o‐p ol e t e m p er at ur e diff er e n c e s a n d t h e e xtr a ‐tr o pi c al st or m tr a c k r es p o ns es

of t h e C MI P 5 cli m at e m o d els. Cli m at e D y n a mi cs , 4 3 , 1 1 7 1– 1 1 8 2. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 7 /s 0 0 3 8 2 ‐0 1 3 ‐1 8 8 3 ‐9

H a w ki ns, E., & S utt o n, R. ( 2 0 1 2). Ti m e of e m er g e n c e of cli m at e si g n als. G e o p h ysi c al R es e ar c h L ett ers , 3 9 , L 0 1 7 0 2. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9/

2 0 1 1 G L 0 5 0 0 8 7

H el d, I. M., G u o, H., A d cr oft, A., D u n n e, J. P., H or o wit z, L. W., Kr asti n g, J., et al. ( 2 0 1 9). Str u ct ur e a n d P erf or m a n c e of G F D L's C M 4. 0

Cli m at e M o d el. J o ur n al of A d v a n c es i n M o d eli n g E art h S yst e ms , 1 1 , 3 6 9 1– 3 7 2 7. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9 / 2 0 1 9 M S 0 0 1 8 2 9

H e n d o n, H., T h o m p s o n, D. W. J., Li m, E. ‐P., B utl er, A. H., N e w m a n, P. A., C o y, L., et al. ( 2 0 1 9). R ar e f or e c ast e d cli m at e e v e nt u n d er w a y i n

t h e S o ut h er n H e mis p h er e. N at ur e , 5 7 3 ( 7 7 7 5), 4 9 6. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 3 8/ d 4 1 5 8 6‐0 1 9 ‐0 2 8 5 8 ‐0

Hit c h c o c k, P., S h e p h er d, T. G., & M a n n e y, G. L. ( 2 0 1 3). St atisti c al c h ar a ct eri z ati o n of Ar cti c p ol ar ‐ni g ht j et os cill ati o n e v e nts. J o ur n al of

Cli m at e , 2 6 , 2 0 9 6– 2 1 1 6.



https://doi.org/10.22033/ESGF/CMIP6.1534

https://doi.org/10.1029/2010JD014995

https://doi.org/10.1175/JCLI-D-17-0648.1

https://doi.org/10.1002/jgrd.50125

https://doi.org/10.1002/jgrd.50125

https://doi.org/10.1029/2007JD009571

https://doi.org/10.1029/JZ066i001p00083


https://doi.org/10.1029/2019MS001916


https://doi.org/10.1029/2019JD030920

https://doi.org/10.5194/gmd-9-1937-2016

https://doi.org/10.5194/gmd-9-1937-2016

https://doi.org/10.1029/2019JD030943

https://doi.org/10.1029/2019JD030943

https://doi.org/10.1029/2003GL018747

https://doi.org/10.1002/2015JD024687


https://doi.org/10.1029/2011JD015914

https://doi.org/10.1029/2011JD015914

https://doi.org/10.1007/s00382-013-1883-9

https://doi.org/10.1029/2011GL050087

https://doi.org/10.1029/2011GL050087

https://doi.org/10.1029/2019MS001829

https://doi.org/10.1038/d41586-019-02858-0

Hit c h c o c k, P., & Si m ps o n, I. R. ( 2 0 1 4). T h e d o w n w ar d i n fl u e n c e of str at os p h eri c s u d d e n w ar mi n gs. J o ur n al of t h e At m os p h eri c S ci e n c es , 7 1 ,

3 8 5 6 – 3 8 7 6. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 1 7 5 / J A S ‐D ‐1 4 ‐0 0 1 2. 1

H u, J., R e n, R., & X u, H. ( 2 0 1 4). O c c urr e n c e of wi nt er str at os p h eri c s u d d e n w ar mi n g e v e nts a n d t h e s e as o n al ti mi n g of s pri n g str at os p h eri c

fi n al w ar mi n g. J o ur n al of Cli m at e , 7 1 , 2 3 1 9– 2 3 3 4.

H uff m a n, M. ( 1 9 8 4). A n i m pr o v e d a p pr o xi m at e t w o ‐s a m pl e P oiss o n t est. J o ur n al of t h e R o y al St atisti c al S o ci et y, S eri es C ( A p pli e d St atisti cs) ,

3 3 ( 2), 2 2 4– 2 2 6.

K ar p e c h k o, A. Y., & M a n zi ni, E. ( 2 0 1 2). Str at os p h eri c i n fl u e n c e o n tr o p os p h eri c cli m at e c h a n g e i n t h e N ort h er n H e mis p h er e. J o ur n al of

G e o p h ysi c al R es e ar c h , 1 1 7 , D 0 5 1 3 3. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 1 J D 0 1 7 0 3 6

K ell e h er, M., A y ar z a g ü e n a, B., & S cr e e n, J. ( 2 0 1 9). I nt er ‐s e as o n al c o n n e cti o ns b et w e e n t h e ti mi n g of t h e str at os p h eri c fi n al w ar mi n g a n d

Ar cti c s e a i c e. J o ur n al of Cli m at e . htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 1 7 5/ J C LI‐D ‐1 9 ‐0 0 6 4. 1

Ki dst o n, J., S c aif e, A. A., H ar di m a n, S. C., Mit c h ell, D. M., B ut c h art, N., B al d wi n, M. P., & Gr a y, L. ‐ J. ( 2 0 1 5). Str at os p h eri c i n fl u e n c e o n

tr o p os p h eri c j et str e a ms, st or m tr a c ks a n d s urf a c e w e at h er. N at ur e G e os ci e n c e , 8 , 4 3 3– 4 4 0.

Ki m, J., S o n, S. ‐W., G er b er, E. P., & P ar k, H. ‐S. ( 2 0 1 7). D e fi ni n g s u d d e n str at os p h eri c w ar mi n g i n cli m at e m o d els: A c c o u nti n g f or bi as es i n

m o d el cli m at ol o gi e s. J o ur n al of Cli m at e , 3 0 , 5 5 2 9– 5 5 4 6.

K o b a y as hi, S., Ot a, Y., H ar a d a, Y., E bit a, A., M ori y a, M., O n o d a, H., et al. ( 2 0 1 5). T h e J R A ‐5 5 r e a n al ysis: G e n er al s p e ci fi c ati o ns a n d b asi c

c h ar a ct eristi cs. J o ur n al of t h e M et e or ol o gi c al S o ci et y of J a p a n , 9 3 , 5– 4 8.

K o d er a, K., M att h es, K., S hi b at a, K., L a n g e m at z, U., & K ur o d a, Y. ( 2 0 0 3). S ol ar i m p a ct o n t h e l o w er m es os p h eri c s u btr o pi c al j et: A c o m-

p ar ati v e st u d y wit h g e n er al cir c ul ati o n m o d el si m ul ati o ns. G e o p h ysi c al R es e ar c h L ett ers , 3 0 ( 6), 1 3 1 5. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9/

2 0 0 2 G L 0 1 6 1 2 4

Kr ü g er, K., N a uj o k at, B., & L a bit z k e, K. ( 2 0 0 5). T h e u n us u al mi d wi nt er w ar mi n g i n t h e S o ut h er n H e mis p h er e str at os p h er e 2 0 0 2: A

c o m p aris o n t o N ort h er n H e mis p h er e p h e n o m e n a. J o ur n al of Cli m at e , 6 2 , 6 0 3– 6 1 3.

K u hl br o dt, T., J o n es, C. G., S ell ar, A., St or k e y, D., Bl o c kl e y, E., Stri n g er, M., et al. ( 2 0 1 8). T h e l o w ‐r es ol uti o n v ersi o n of H a d G E M 3 G C 3. 1:

D e v el o p m e nt a n d e v al u ati o n f or gl o b al cli m at e. J o ur n al of A d v a n c es i n M o d eli n g E art h S yst e ms , 1 0 ( 1 1), 2 8 6 5– 2 8 8 8. htt ps:/ / d oi. or g/

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 8 M S 0 0 1 3 7 0

K us h n er, P. J., & P ol v a ni, L. M. ( 2 0 0 4). Str at os p h er e ‐tr o p os p h er e c o u pli n g i n a r el ati v el y si m pl e A G C M: T h e r ol e of e d di es. J o ur n al of

Cli m at e , 1 7 , 6 2 9– 6 3 9.

K us h n er, P. J., & P ol v a ni, L. M. ( 2 0 0 5). A v er y l ar g e, s p o nt a n e o us str at os p h eri c s u d d e n w ar mi n g i n a si m pl e A G C M: A pr ot ot y p e f or t h e

S o ut h er n H e mis p h er e w ar mi n g of 2 0 0 2 ? J o ur n al of t h e At m os p h eri c S ci e n c es , 6 2 , 8 9 0– 8 9 7.

Li, Q., Gr af, H. ‐F., & Gi or g ett a, M. A. ( 2 0 0 7). St ati o n ar y pl a n et ar y w a v e pr o p a g ati o n i n t h e N ort h er n H e mis p h er e wi nt er — Cli m at ol o gi c al

a n al ysis of t h e r efr a cti v e i n d e x. At m os p h eri c C h e mistr y a n d P h ysi cs , 7 , 1 8 3– 2 0 0.

M a hf o uf, J. F., C ari oll e, D., R o y er, J. ‐F., G el e y n, J. ‐F., & Ti m b al, B. ( 1 9 9 4). R es p o ns e of t h e M ét é o ‐Fr a n c e cli m at e m o d el t o c h a n g es i n C O 2

a n d s e a s urf a c e t e m p er at ur e. Cli m at e D y n a mi cs , 9 , 3 4 5– 3 6 2.

M a n a b e, S., & W et h erl a n d, R. T. ( 1 9 6 7). T h er m al e q uili bri u m of t h e at m os p h er e wit h a gi v e n distri b uti o n of r el ati v e h u mi dit y. J o ur n al of

t h e At m os p h eri c S ci e n c es, 2 4 , 2 4 1– 2 5 9.

M a n zi ni, E., K ar p e c h k o, A. Y., A nst e y, J., B al d wi n, M. P., Bl a c k, R. X., C a g n a z z o, C., et al. ( 2 0 1 4). N ort h er n wi nt er cli m at e c h a n g e:

Ass ess m e nt of u n c ert ai nt y i n C MI P 5 pr oj e cti o ns r el at e d t o str at os p h er e ‐tr o p os p h er e c o u pli n g. J o ur n al of G e o p h ysi c al R es e ar c h:

At m os p h er es , 1 1 9 , 7 9 7 9– 7 9 9 8. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 0 2/ 2 0 1 3 J D 0 2 1 4 0 3

M c L a n dr ess, C., J o nss o n, A. I., Pl u m m er, D. A., R e a d er, M. C., S ci n o c c a, J. F., & S h e p h er d, T. G. ( 2 0 1 0). S e p ar ati n g t h e d y n a mi c al eff e cts of

cli m at e c h a n g e a n d o z o n e d e pl eti o n. P art I: S o ut h er n H e mis p h er e str at os p h er e. J o ur n al of Cli m at e , 2 3 , 5 0 0 2– 5 0 2 0.

M c L a n dr ess, C., & S h e p h er d, T. G. ( 2 0 0 9). I m p a ct of cli m at e c h a n g e o n str at os p h eri c s u d d e n w ar mi n gs as si m ul at e d b y t h e C a n a di a n

Mi d dl e At m os p h er e M o d el. J o ur n al of Cli m at e , 2 2 , 5 4 4 9– 5 4 6 3. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 1 7 5/ 2 0 0 9 J C LI 3 0 6 9. 1

M ei ns h a us e n, M., V o g el, E., N a u els, A., L or b a c h er, K., M ei ns h a us e n, N., Et h eri d g e, D. M., et al. ( 2 0 1 7). Hi st ori c al gr e e n h o us e g as c o n-

c e ntr ati o ns f or cli m at e m o d elli n g ( C MI P 6). G e os ci e nti fi c M o d el D e v el o p m e nt , 1 0 ( 5), 2 0 5 7– 2 1 1 6. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 5 1 9 4/ g m d ‐1 0 ‐2 0 5 7 ‐

2 0 1 7

Mit c h ell, D. M., C h arlt o n ‐P er e z, A. J., Gr a y, L. J., A ki y os hi, H., B ut c h art, N., H ar di m a n, S. C., et al. ( 2 0 1 2). T h e n at ur e of Ar cti c p ol ar

v orti c es i n c h e mistr y ‐cli m at e m o d els. Q u art erl y J o ur n al of t h e R o y al M et e or ol o gi c al S o ci et y , 1 3 8 , 1 6 8 1– 1 6 9 1.

Mit c h ell, D. M., Os pr e y, S. M., Gr a y, L. J., B ut c h art, N., H ar di m a n, S. C., C h arlt o n ‐P er e z, A. J., & W ats o n, P. ( 2 0 1 2). T h e eff e ct of

cli m at e c h a n g e o n t h e v ari a bilit y of t h e N ort h er n H e mis p h er e str at os p h eri c p ol ar v ort e x. J o ur n al of t h e At m os p h eri c S ci e n c es , 6 9 ,

2 6 0 8 – 2 6 1 8.

N A S A G o d d ar d I nstit ut e f or S p a c e St u di es ( N A S A/ GI S S) ( 2 0 1 8). N A S A ‐GI S S GI S S ‐E 2. 1 G m o d el o ut p ut pr e p ar e d f or C MI P 6 C MI P

pi C o ntr ol. V ersi o n 2 0 1 9 1 1 2 0. E art h S yst e m Gri d F e d er ati o n. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 2 2 0 3 3/ E S G F / C MI P 6. 7 3 8 0

O b erl ä n d er ‐H a y n, S., M e ul, S., L a n g e m at z, U., A b ali c hi n, J., & H a e n el, F. ( 2 0 1 5). A c h e mistr y ‐cli m at e m o d el st u d y of p ast c h a n g es i n

t h e Br e w er‐D o bs o n cir c ul ati o n. J o ur n al of G e o p h ysi c al R es e ar c h: At m os p h er es , 1 2 0 , 6 7 4 2– 6 7 5 7. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 2 /

2 0 1 4 J D 0 2 2 8 4 3

P ol v a ni, L. M., S u n, L., B utl er, A. H., Ri c ht er, J. H., & D es er, C. ( 2 0 1 7). Disti n g uis hi n g str at os p h eri c s u d d e n w ar mi n gs fr o m E N S O as k e y

dri v ers of wi nt erti m e cli m at e v ari a bilit y o v er t h e N ort h Atl a nti c a n d E ur asi a. J o ur n al of Cli m at e , 3 0 , 1 9 5 9– 1 9 6 9. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 1 7 5/

J C LI ‐D ‐1 6 ‐0 2 7 7. 1

Ri n d, D., S hi n d ell, D., L o n er g a n, P., & B al a c h a n dr a n, N. K. ( 1 9 9 8). Cli m at e c h a n g e a n d t h e mi d dl e at m os p h er e. P art III: T h e d o u bl e d C O 2

cli m at e r e visit e d. J o ur n al of Cli m at e , 1 1 , 8 7 6– 8 9 4.

Ri n d, D., S u o z z o, R., B al a c h a n dr a n, N. K., & Pr at h er, M. J. ( 1 9 9 0). Cli m at e c h a n g e a n d t h e mi d dl e at m os p h er e. P art I: T h e d o u bl e d C O 2

cli m at e. J o ur n al of t h e At m os p h eri c S ci e n c es , 4 7 , 4 7 5– 4 9 4.

R o b erts, M. ( 2 0 1 7). M O H C H a d G E M 3 ‐G C 3 1 ‐L L m o d el o ut p ut pr e p ar e d f or C MI P 6. V ersi o n 2 0 1 9 0 7 2 3. E art h S yst e m Gri d F e d er ati o n.

htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 2 2 0 3 3/ E S G F/ C MI P 6. 1 9 0 1

S c aif e, A., S p a n g e hl, T., F er e d a y, D. R., C u b as c h, U., L a n g e m at z, U., A ki y os hi, H., et al. ( 2 0 1 2). Cli m at e c h a n g e pr oj e cti o ns a n d

str at os p h er e – tr o p os p h er e i nt er a cti o n. Cli m at e D y n a mi cs , 3 8 ( 9‐1 0), 2 0 8 9 – 2 0 9 7. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 7 /s 0 0 3 8 2 ‐0 1 1 ‐1 0 8 0 ‐7

S c h o e b erl, M. R., & H art m a n n, D. L. ( 1 9 9 1). T h e d y n a mi cs of t h e str at os p h eri c p ol ar v ort e x a n d its r el ati o n t o s pri n gti m e o z o n e d e pl eti o ns.

S ci e n c e , 2 5 1 ( 4 9 8 9), 4 6– 5 2. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 1 2 6/s ci e n c e. 2 5 1. 4 9 8 9. 4 6

S éf éri a n, R. ( 2 0 1 8). C N R M ‐C E R F A C S C N R M ‐E S M 2 ‐1 m o d el o ut p ut pr e p ar e d f or C MI P 6 C MI P f or e x p eri m e nt pi C o ntr ol ‐s pi n u p. V ersi o n

2 0 1 8 0 4 2 3. E art h S yst e m Gri d F e d er ati o n. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 2 2 0 3 3/ E S G F/ C MI P 6. 4 1 6 9

S éf éri a n, R., N a b at, P., Mi c h o u, M., S ai nt ‐M arti n, D., V ol d oir e, A., C oli n, J., et al. ( 2 0 1 9). E v al u ati o n of C N R M E art h ‐S yst e m m o d el,

C N R M ‐E S M 2 ‐1: R ol e of E art h s yst e m pr o c ess es i n pr es e nt ‐d a y a n d f ut ur e cli m at e. J o ur n al of A d v a n c es i n M o d eli n g E art h S yst e ms , 1 1 ,

4 1 8 2 – 4 2 2 7. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9 / 2 0 1 9 M S 0 0 1 7 9 1



https://doi.org/10.1175/JAS-D-14-0012.1

https://doi.org/10.1029/2011JD017036


https://doi.org/10.1029/2002GL016124

https://doi.org/10.1029/2002GL016124

https://doi.org/10.1029/2018MS001370

https://doi.org/10.1029/2018MS001370

https://doi.org/10.1002/2013JD021403

https://doi.org/10.1175/2009JCLI3069.1

https://doi.org/10.5194/gmd-10-2057-2017

https://doi.org/10.5194/gmd-10-2057-2017


https://doi.org/10.1002/2014JD022843

https://doi.org/10.1002/2014JD022843




https://doi.org/10.1007/s00382-011-1080-7

https://doi.org/10.1126/science.251.4989.46


https://doi.org/10.1029/2019MS001791

S h e p h er d, T. G., & M c L a n dr ess, C. S. ( 2 0 1 1). A r o b ust m e c h a nis m f or str e n gt h e ni n g of t h e Br e w er – D o bs o n cir c ul ati o n i n r es p o ns e t o cli-

m at e c h a n g e: Criti c al ‐l a y er c o ntr ol of s u btr o pi c al w a v e br e a ki n g. J o ur n al of t h e At m os p h eri c S ci e n c es , 6 9 , 7 8 4– 7 9 7. htt ps:// d oi. or g/

1 0. 1 1 7 5/ 2 0 1 0 J A S 3 6 0 8. 1

S o n g, Y., & R o bi n s o n, W. A. ( 2 0 0 4). D y n a mi c al m e c h a nis ms f or str at os p h eri c i n fl u e n c es o n t h e tr o p os p h er e. J o ur n al of t h e At m os p h eri c

S ci e n c es , 6 1 , 1 7 1 1– 1 7 2 5.

S w art, N. C., C ol e, J. N. S., K h ari n, V. V., L a z ar e, M., S ci n o c c a, J. F., Gill ett, N. P., et al. ( 2 0 1 9 a). T h e C a n a di a n E art h S yst e m M o d el v ersi o n 5

( C a n E S M 5. 0. 3). G e os ci e nti fi c M o d el D e v el o p m e nt , 1 2 , 4 8 2 3– 4 8 7 3. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 5 1 9 4/ g m d ‐1 2 ‐4 8 2 3 ‐2 0 1 9

S w art, N. C., C ol e, J. N. S., K h ari n, V. V., L a z ar e, M., S ci n o c c a, J. F., Gill ett, N. P., et al. ( 2 0 1 9 b). C C C m a C a n E S M 5 m o d el o ut p ut pr e p ar e d

f or C MI P 6 C MI P pi C o ntr ol. V ersi o n 2 0 1 9 0 7 3 0. E art h S yst e m Gri d F e d er ati o n. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 2 2 0 3 3/ E S G F/ C MI P 6. 3 6 7 3

T a g u c hi, M. ( 2 0 1 7). A st u d y of diff er e nt fr e q u e n ci es of m aj or str at os p h eri c s u d d e n w ar mi n gs i n C MI P 5 hist ori c al si m ul ati o ns. J o ur n al of

G e o p h ysi c al R es e ar c h: At m os p h er es , 1 2 2 , 5 1 4 4– 5 1 5 6. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 0 2/ 2 0 1 6 J D 0 2 5 8 2 6

T a n g, Y. et al. ( 2 0 1 9). M O H C U K E S M 1. 0 ‐L L m o d el o ut p ut pr e p ar e d f or C MI P 6 C MI P pi C o ntr ol. V ersi o n 2 0 1 9 0 9 0 4. E art h S yst e m Gri d

F e d er ati o n. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 2 2 0 3 3/ E S G F/ C MI P 6. 6 2 9 8

T at e b e, H., O g ur a, T., Nitt a, T., K o m ur o, Y., O g o c hi, K., T a k e m ur a, T., et al. ( 2 0 1 9). D es cri pti o n a n d b asi c e v al u ati o n of si m ul at e d m e a n

st at e, i nt er n al v ari a bilit y, a n d cli m at e s e nsiti vit y i n MI R O C 6. G e os ci e nti fi c M o d el D e v el o p m e nt , 1 2 ( 7), 2 7 2 7– 2 7 6 5. htt ps:// d oi. or g/

1 0. 5 1 9 4/ g m d ‐1 2 ‐2 7 2 7 ‐2 0 1 9

T at e b e, H., & W at a n a b e, M. ( 2 0 1 8). MI R O C MI R O C 6 m o d el o ut p ut pr e p ar e d f or C MI P 6 C MI P pi C o ntr ol. V ersi o n 2 0 1 9 0 9 0 3. E art h S yst e m

Gri d F e d er ati o n. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 2 2 0 3 3/ E S G F/ C MI P 6. 5 7 1 1

V ol o di n, E. M., M orti k o v, E. V., K ostr y ki n, S. V., G ali n, V. Y., L y k oss o v, V. N., Grits u n, A. S., et al. ( 2 0 1 7). Si m ul ati o n of t h e pr es e nt d a y

cli m at e wit h t h e cli m at e m o d el I N M C M 5. Cli m at e D y n a mi cs , 4 9 ( 1 1‐1 2), 3 7 1 5 – 3 7 3 4. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 7/s 0 0 3 8 2 ‐0 1 7 ‐3 5 3 9 ‐7

Willi a ms, K., C o ps e y, D., Bl o c kl e y, E., B o d as ‐S al c e d o, A., C al v ert, D., C o m er, R., et al. ( 2 0 1 8). T h e M et Of fi c e gl o b al c o u pl e d m o d el 3. 0 a n d

3. 1 ( G C 3. 0 a n d G C 3. 1) c o n fi g ur ati o ns. J o ur n al of A d v a n c es i n M o d eli n g E art h S yst e ms , 1 0 ( 2), 3 5 7– 3 8 0. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 2/

2 0 1 7 M S 0 0 1 1 1 5

W u, Y., Si m ps o n, I. R., & S e a g er, R. ( 2 0 1 9). I nt er ‐m o d el s pr e a d i n t h e N ort h er n H e mis p h er e str at os p h eri c p ol ar v ort e x r es p o n s e t o cli m at e

c h a n g e i n t h e C MI P 5 m o d els. G e o p h ysi c al R es e ar c h L ett ers , 4 6 , 1 3, 2 9 0– 1 3, 2 9 8. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 G L 0 8 5 5 4 5

Y u ki m ot o, S., K a w ai, H., K os hir o, T., Os hi m a, N., Y os hi d a, K., Ur a k a w a, S., et al. ( 2 0 1 9). T h e M et e or ol o gi c al R es e ar c h I nstit ut e E art h

S yst e m M o d el V ersi o n 2. 0, M RI ‐E S M 2. 0: D es cri pti o n a n d B asi c E v al u ati o n of t h e P h ysi c al C o m p o n e nt. J o ur n al of t h e M et e or ol o gi c al

S o ci et y of J a p a n , 9 7 ( 5), 9 3 1– 9 6 5. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 2 1 5 1 /j msj. 2 0 1 9 ‐0 5 1

Y u ki m ot o, S. K os hir o, T., K a w ai, H., Os hi m a, N., Y os hi d a, K., Ur a k a w a, S., et al. ( 2 0 1 9). M RI M RI ‐E S M 2. 0 m o d el o ut p ut pr e p ar e d f or

C MI P 6 C MI P. V ersi o n 2 0 1 9 0 7 2 6. E a rt h S yst e m Gri d F e d er ati o n. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 2 2 0 3 3/ E S G F/ C MI P 6. 6 2 1

Z eli n k a, M. D., M y ers, T. A., M c C o y, D. T., P o ‐C h e dl e y, S., C al d w ell, P. M., C e p pi, P., et al. ( 2 0 2 0). C a us es of hi g h er cli m at e s e n siti vit y i n

C MI P 6 m o d els. G e o p h ysi c al R es e ar c h L ett ers , 4 7 ( 1). htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 G L 0 8 5 7 8 2



https://doi.org/10.1175/2010JAS3608.1

https://doi.org/10.1175/2010JAS3608.1

https://doi.org/10.5194/gmd-12-4823-2019


https://doi.org/10.1002/2016JD025826


https://doi.org/10.5194/gmd-12-2727-2019

https://doi.org/10.5194/gmd-12-2727-2019


https://doi.org/10.1007/s00382-017-3539-7

https://doi.org/10.1002/2017MS001115

https://doi.org/10.1002/2017MS001115

https://doi.org/10.1029/2019GL085545

https://doi.org/10.2151/jmsj.2019-051


https://doi.org/10.1029/2019GL085782

Edwin P. Gerber - R ES E A R C H A R TI C L E U ncertai nty ......U ncertai nty i n t he Res p o nse...

Documents

Transcript of Edwin P. Gerber - R ES E A R C H A R TI C L E U ncertai nty ......U ncertai nty i n t he Res p o nse...