الگوهای روند دما در نیمکره جنوبی عرض جغرافیایی بالا: شاخص های جدید تغییر استراتوسفر

تاریخ پذیرش نمایش داده شده برای مقالاتی که قبل از سال 2023 منتشر شده است ، طی یک هفته تقریبی است. در صورت لزوم ، تاریخ پذیرش دقیق را می توان از طریق ایمیل amsjol@ametsoc. org دریافت کرد.

دسترسی کامل

خلاصه

الگوهای روند دمای استراتوسفر قوی در فصول زمستان و بهار در عرض جغرافیایی نیمکره جنوبی از واحد صدایی مایکروویو ماهواره ای (MSU) برای سال 1979-2007 پیشنهاد شده است. این الگوهای به عنوان شاخص های فرآیندهای کلیدی حاکم بر دما و تغییرات ازن در قطب جنوب عمل می کنند. الگوهای مشاهده شده با مناطق خنک کننده و گرم شدن از بزرگی قابل مقایسه ، با قویترین روند محلی در سپتامبر و اکتبر مشخص می شود. در ماه سپتامبر ، کاهش ازن باعث خنک کننده تابشی می شود ، و تقویت گردش خون Brewe r-Dobson (BDC) باعث گرم شدن دینامیکی می شود. از آنجا که روند ناشی از این دو فرآیند در ماه سپتامبر در مکان های مختلف متمرکز است ، آنها یکدیگر را لغو نمی کنند ، بلکه ساختار موجک را تولید می کنند. در مقابل ، در ماه اکتبر ، خنک کننده تابشی ناشی از ازن و گرم شدن ناشی از BDC یک ساختار متقارن منطقه ای نسبت به ماه سپتامبر نشان می دهد ، و از این رو تا حد زیادی یکدیگر را لغو می کند. با این حال ، موج موج سیاره ای شبه ثابت 1 اکتبر از سال 1979 تا 2007 به سمت شرق تغییر کرده است ، و یک ساختار روند Wavenumber-1 منطقه ای را تولید می کند ، که بر الگوی روند دما مشاهده شده حاکم است.

تغییرات دما شبیه سازی شده برای سال های 1979-2007 از آزمایش های همراه با جو و اقیانوس عمومی (AOGCM) آزمایشات برای پانل بین دولتی در مورد گزارش ارزیابی چهارم (IPCC AR4) با مشاهدات مقایسه می شود. به طور کلی ، تغییرات دما شبیه سازی شده توسط خنک کننده تابشی ناشی از ازن متقارن منطقه ای حاکم است. این مدل ها در شبیه سازی گرم شدن در استراتوسفر قطبی جنوبی ناکام هستند و دلالت بر عدم تقویت BDC در این مدل ها دارند. آنها همچنین در شبیه سازی تغییرات موج سیاره ای شبه ثابت مشاهده شده در اکتبر و نوامبر ناکام هستند.

آدرس نویسنده مسئول: PO LIN ، گروه علوم جوی ، دانشگاه واشنگتن ، 408 Atg Bldg. ، جعبه 351640 ، سیاتل ، WA 98195-1640. ایمیل: plin@atmos. washington. edu

خلاصه

الگوهای روند دمای استراتوسفر قوی در فصول زمستان و بهار در عرض جغرافیایی نیمکره جنوبی از واحد صدایی مایکروویو ماهواره ای (MSU) برای سال 1979-2007 پیشنهاد شده است. این الگوهای به عنوان شاخص های فرآیندهای کلیدی حاکم بر دما و تغییرات ازن در قطب جنوب عمل می کنند. الگوهای مشاهده شده با مناطق خنک کننده و گرم شدن از بزرگی قابل مقایسه ، با قویترین روند محلی در سپتامبر و اکتبر مشخص می شود. در ماه سپتامبر ، کاهش ازن باعث خنک کننده تابشی می شود ، و تقویت گردش خون Brewe r-Dobson (BDC) باعث گرم شدن دینامیکی می شود. از آنجا که روند ناشی از این دو فرآیند در ماه سپتامبر در مکان های مختلف متمرکز است ، آنها یکدیگر را لغو نمی کنند ، بلکه ساختار موجک را تولید می کنند. در مقابل ، در ماه اکتبر ، خنک کننده تابشی ناشی از ازن و گرم شدن ناشی از BDC یک ساختار متقارن منطقه ای نسبت به ماه سپتامبر نشان می دهد ، و از این رو تا حد زیادی یکدیگر را لغو می کند. با این حال ، موج موج سیاره ای شبه ثابت 1 اکتبر از سال 1979 تا 2007 به سمت شرق تغییر کرده است ، و یک ساختار روند Wavenumber-1 منطقه ای را تولید می کند ، که بر الگوی روند دما مشاهده شده حاکم است.

تغییرات دما شبیه سازی شده برای سال های 1979-2007 از آزمایش های همراه با جو و اقیانوس عمومی (AOGCM) آزمایشات برای پانل بین دولتی در مورد گزارش ارزیابی چهارم (IPCC AR4) با مشاهدات مقایسه می شود. به طور کلی ، تغییرات دما شبیه سازی شده توسط خنک کننده تابشی ناشی از ازن متقارن منطقه ای حاکم است. این مدل ها در شبیه سازی گرم شدن در استراتوسفر قطبی جنوبی ناکام هستند و دلالت بر عدم تقویت BDC در این مدل ها دارند. آنها همچنین در شبیه سازی تغییرات موج سیاره ای شبه ثابت مشاهده شده در اکتبر و نوامبر ناکام هستند.

آدرس نویسنده مسئول: PO LIN ، گروه علوم جوی ، دانشگاه واشنگتن ، 408 Atg Bldg. ، جعبه 351640 ، سیاتل ، WA 98195-1640. ایمیل: plin@atmos. washington. edu

کلمات کلیدی: استراتوسفر ؛ازن ؛دمای سطح دریا ؛تنوع ده ساله ؛نیمکره جنوبی

1. معرفی

استراتوسفر با عرض جغرافیایی یک مؤلفه مهم سیستم آب و هوا است. یکی از مهمترین موضوعات برای تغییر جهانی ، توسعه سوراخ ازن قطب جنوب در اواخر قرن بیستم و بهبود مورد انتظار در قرن بیست و یکم است. دمای پایین مقتضی محلی بر تشکیل سوراخ ازن از طریق هر دو فرآیند شیمیایی و دینامیکی تأثیر می گذارد. این تنظیم ابرهای استراتوسفر قطبی (PSC) را تنظیم می کند که سطحی را که در آن واکنشهای شیمیایی ناهمگن رخ می دهد فراهم می کند (سلیمان و همکاران 1986). این همچنین نشان دهنده قدرت گرداب قطبی است ، که محیط جدا شده را فراهم می کند که در آن واکنشهای شیمیایی که منجر به ایجاد سوراخ ازن می شوند (به عنوان مثال ، مکینتایر 1989 ؛ شوبرل و هارتمن 1991).

همچنین اخیراً متوجه شده است که استراتوسفر نقش بسیار فعال تری در اتصال استراتوسف ر-تروپوسفر از آنچه قبلاً تصور می شد ایفا می کند (Haynes 2005 ؛ Baldwin et al. 2007). شواهد مشاهده ای و مدل سازی نشان می دهد که تغییر در گردش استراتوسفر ممکن است منجر به پاسخ در هر دو حالت حلقوی نیمکره شمالی و جنوبی شود (به ترتیب NAM و SAM) ، و از این طریق بر آب و هوای سطح و آب و هوا تأثیر می گذارد (به عنوان مثال ، تامپسون و والاس 2000 ؛ تامپسون وسلیمان 2002 ؛ هارتمن و همکاران 2000 ؛ گیلت و تامپسون 2003). چنین پیوندهای دینامیکی رو به پایین به ویژه در عرض جغرافیایی مهم هستند (بالدوین و همکاران 2007).

توزیع مکانی تغییرات طولانی مدت در دمای استراتوسفر در جغرافیای نیمکره جنوبی (SH) به خوبی ثبت نشده است. وجود تنوع طبیعی بزرگ در این منطقه برای شناسایی یک سیگنال آب و هوا به سوابق مشاهده ای طولانی و قابل اعتماد نیاز دارد. علاوه بر این ، شبکه مشاهدات Radiosonde برای تعریف قابل اعتماد الگوهای مکانی بسیار پراکنده است. اندازه گیری ماهواره ، که از سال 1979 پوشش کامل مکانی را ارائه می دهد ، داده های اصلی مورد استفاده در این مطالعه است. در اینجا ما الگوهای روند فضایی قوی دمای استراتوسفر را در عرض جغرافیایی SH نشان می دهیم ، که مطابق با مطالعات قبلی از میانگین های منطقه ای است (به عنوان مثال ، رندل و همکاران 2009 ؛ تامپسون و سلیمان 2002) ، اما بینش های اضافی را نشان می دهد.

مدلهای پیشرفته عمومی جو و اقیانوسیه مکالمه (AOGCMS) که پایه و اساس پیش بینی در پانل بین دولتی در مورد گزارش ارزیابی چهارم تغییر آب و هوا (IPCC AR4) است ، تمایل به تمرکز بر تروپوسفر دارند و به طور کلی ضعیف هستنداستراتوسفر حل شده. مدلهای شیمی و آب و هوای همراه ، استراتوسفر را واقع بینانه تر شبیه سازی می کنند ، اما هنوز هم ممکن است با دقت در شبیه سازی فرآیندهای دینامیکی مانند انتشار موج و تولید موج گرانش (آستین و همکاران 2003 ؛ هاینس 2005). مطالعات مربوط به شاین و همکاران.(2003) ، Ramaswamy و همکاران.(2006) ، دیمریس و همکاران.(2005) ، و سایرین ، خنک کننده مشاهده شده جهانی متوسط را به طور عمده به کاهش ازن و همچنین افزایش غلظت گازهای گلخانه ای نسبت داده اند. مقایسه های قبلی بین شبیه سازی ها و مشاهدات در عرض جغرافیایی بالا با استفاده از مزارع متوسط منطقه ای انجام شده است (شاین و همکاران 2003 ؛ Ramaswamy و همکاران 2006 ؛ Cordero و Forster 2006). اخیراً ، بر اساس واحد صدایی مایکروویو متولد ماهواره (MSU) کانال 4 (t₄) مشاهدات ، یوهانسون و فو (2007) گزارش دادند كه حدود نیمی از استراتوسفر تحتانی بیش از قطب جنوب از سال 1979 در فصول زمستان و بهار با وجود خنک شدن مورد انتظار به دلیل از بین رفتن ازن گرم شده است. هو و فو (2009) در ادامه شواهدی از گرم شدن حتی بیشتر در روند برای ماههای تقویم فردی نشان دادند. آنها چنین گرم شدن را به تقویت گردش خون آبج و-دوبسون (BDC) نسبت دادند و این گرمایش دینامیکی را به دمای سطح دریای گرمسیری (SST) مرتبط کردند. ما در اینجا نشان می دهیم که الگوهای روند می توانند عدم تقارن منطقه ای قوی را نشان دهند ، حتی اگر اقلیم شناسی در این منطقه تحت سلطه مؤلفه متقارن منطقه ای جریان باشد. همچنین مقایسه برآوردهای مدل با الگوهای مشاهده شده برای به دست آوردن بینش در فرآیندهای رانندگی تغییر استراتوسفر و ارزیابی وفاداری نمایندگی آنها در مدل ها مورد توجه است.

در این مقاله ، ما یک تجزیه و تحلیل مشاهده ای از روند دمای استراتوسفر در SH ارائه می دهیم ، با تمرکز بر الگوهای مکانی و تکامل فصلی آنها. ما تغییر دمای استراتوسفر را با تغییر ازن در مقیاس زمانی ده ساله مقایسه می کنیم و آن را به اجزای نامتقارن منطقه ای و منطقه ای تقسیم می کنیم. سهم در الگوی روند دمای مشاهده شده از خنک کننده تابشی ناشی از ازن و گرم شدن پویا ناشی از تقویت BDC توسط رگرسیون چندگانه ارزیابی می شود. علاوه بر خنک کننده تابشی و گرم شدن دینامیکی ، می فهمیم که تغییرات در امواج سیاره ای شبه ثابت نیز به تغییر دما در مقیاس زمانی ده ساله کمک می کند. ما الگوهای روند دما شبیه سازی شده را از مدل های IPCC AR4 با مشاهدات مقایسه می کنیم. این شبیه سازی ها به طور قابل ملاحظه ای پاسخ های دینامیکی به تغییرات آب و هوا را دست کم می گیرند.

این مقاله به شرح زیر سازماندهی شده است. بخش 2 داده های مورد استفاده در مطالعه را شرح می دهد. بخش 3 در فصول زمستان و بهار در مورد الگوهای مشاهده شده دمای استراتوسفر و ازن بحث شده است. بخش 4 فرایندهایی را که به الگوهای روند کمک می کند ، بحث می کند. بخش 5 الگوی روند شبیه سازی شده را با مشاهدات مقایسه می کند. خلاصه و نتیجه گیری در بخش 6 آورده شده است.

2. داده ها

برای تجزیه و تحلیل دما ، ما از واحد صدایی مایکروویو پیشرفته MSU (AMSU) کانال پایین تر و متفرقه استفاده کردیم (T₄) ماهانه Gridded (2. 5 × 2. 5 درجه) داده های دمای روشنایی نسخه 3. 0 تهیه شده توسط تیم سنجش از راه دور (RSS) برای سال 1979-2007 (Mears et al. 2003). t₄عملکرد وزنه برداری از 20 ∼ تا 12 hPa و قله در حدود 60 hPa گسترش می یابد ، بنابراین به خوبی نمایانگر استراتوسفر پایین است. در اینجا ، ما بر روی عرض جغرافیایی High از 45 تا 82. 5 درجه سانتیگراد ، محدودیت قطب اندازه گیری MSU تمرکز می کنیم.

برای بررسی الگوهای روند ازن ، ما از داده های میانگین کل ازن ستون نسخه 8 نسخه 8 از طیف سنج نقشه برداری ازن (TOMS) استفاده کردیم. این نسخه در یک شبکه 1 درجه 1. 25 درجه فرمت شده است و از سال 1979 به جز 1993-95 در دسترس است. به دلیل عدم تابش خورشیدی ، در طول فصل زمستان هیچ اندازه گیری در یک منطقه نسبتاً بزرگ در نزدیکی قطب وجود ندارد. نگرانی در مورد تجزیه و تحلیل روند TOMS ، مشکل آینه اسکن غیرقابل تصحیح است که در حدود سال 2000 آغاز شد [(سازمان جهانی هواشناسی) WMO 2007 ، فصل 3]. مجموعه داده های ادغام شده TOMS/Solar Backscatter Ultraviolet (SBUV) ساخته شده توسط تیم Science TOMS (Stolarski و همکاران 2006) به عنوان یک سابقه قابل اطمینان تر در نظر گرفته می شود که از مزایای کالیبراسیون خارجی برخوردار است. داده های TOMS/SBUV همچنین تا حدی شکاف داده ها را بین سالهای 1993 و 1995 پر می کند ، اما وضوح بسیار پایین تر است (5 درجه 5 درجه). در مطالعه ما ، ما دریافتیم که الگوهای مکانی روندهای مشاهده شده از سال 1979 بین دو مجموعه داده تفاوت معنی داری ندارد. بنابراین ، ما از مجموعه داده TOMS برای تولید نقشه های روند به منظور استفاده از وضوح مکانی بالا آن استفاده کردیم ، در حالی که از مجموعه داده TOMS/SBUV برای تولید سری زمانی ازن به طور متوسط با وزن منطقه استفاده شده است.

مراکز ملی پیش بینی محیط زیست-مرکز ملی تحقیقات جوی (NCEP-NCAR) داده های تجزیه و تحلیل مجدد (Kalnay و همکاران 1996) و داده های مجدد 25 ساله ژاپنی (JRA-25) داده ها (Onogi و همکاران 2007) برای محاسبه استفاده می شوند. شار گرمای گردو و شاخص باد منطقه ای ، برای نشان دادن قدرت BDC همانطور که در بخش 4 مورد بحث قرار گرفته است. برای مقایسه با اندازه گیری ماهواره ، از داده های میانگین ماهانه از 1979 تا 2007 استفاده کردیم.

ما همچنین از شبیه سازی های AOGCM که در پشتیبانی از IPCC AR4 از برنامه جهانی تحقیقات آب و هوا (WCRP) استفاده شده است ، استفاده کردیم. بیست و دو شبیه سازی AOGCM حاوی 48 گروه است که همگی در نظر گرفته می شوند که گازهای گلخانه ای طولانی مدت افزایش می یابد. سیزده مدل که 28 گروه مجموعه را تشکیل می دهند ، کاهش ازن استراتوسفر را نیز در نظر گرفتند. خلاصه ای از توضیحات مدل در جدول 1 آورده شده است. دو مجموعه از شبیه سازی ها برای به دست آوردن یک رکورد کامل از سال 1979 تا 2007 ترکیب شده اند: یکی آب و هوای آزمایش قرن بیستم (20C3M) ، دیگری مجموعه SRES است. شبیه سازی A1b ، که با شرایط از گروه های 20C3M مربوطه در پایان قرن بیستم آغاز می شوند. این گروه در آزمایش 20c3m که به SRES A1B گسترش نیافته اند ، دور ریخته شدند.

خروجی استاندارد برای این مدلها در 17 سطح عمودی در جو است (یعنی 1000 ، 925 ، 850 ، 700 ، 600 ، 500 ، 400 ، 300 ، 250 ، 200 ، 150 ، 100 ، 70 ، 50 ، 30 ، 2010 HPA). شبیه سازی شده t₄با ادغام عمودی مشخصات دما با عملکرد وزنه برداری MSU کانال 4 حاصل می شود. وضوح افقی از مدل به مدل متفاوت است. برای تولید نقشه میانگین مدل ، ما داده های شبیه سازی شده را بر روی قالب شبکه MSU t درون پر می کنیم₄(2. 5 ° 2. 5 درجه) با استفاده از یک درون یابی مکعب-لوله.

3. الگوهای روند ماهانه در فصول زمستان و بهار

آ. ویژگی های مشاهده شده در اقلیم های ماهانه

شکل 1 میانگین آب و هوایی ماهانه MSU t را نشان می دهد₄و نقشه های کل ازن برای 1979-2007 از جولای تا دسامبر. در طول زمستان، میدان دمای پایین تر استراتوسفر تحت تسلط یک حوضچه سرد متقارن منطقه ای قرار می گیرد (شکل 1a, b)، که حاکی از یک گرداب قوی قطبی در بالا از طریق تعادل باد حرارتی است. از ماه سپتامبر، باد ناحیه ای با گرم شدن استراتوسفر قطبی به دلیل جذب تابش خورشیدی ضعیف می شود. از آنجایی که سرعت باد ناحیه ای از سرعت بحرانی راسبی کوچکتر می شود (هولتون 2004)، امواج سیاره ای شبه ساکن (عمدتاً مؤلفه شماره موج ناحیه ای-1) می توانند از تروپوسفر به داخل استراتوسفر منتشر شوند و گرداب قطبی از استراتوسفر جابجا می شود. قطب جنوب به سمت بخش اقیانوس اطلس (به عنوان مثال، واو و راندل 1999؛ کارپچکو و همکاران 2005). تا دسامبر، گرداب قطبی کاملاً از بین رفته است، و باد ناحیه ای آنقدر ضعیف است که به امواج شبه ساکن اجازه نمی دهد تا از تروپوسفر به سمت بالا منتشر شوند، و بنابراین میدان دما دوباره متقارن منطقه ای می شود (شکل 1f). نقشه های ازن نشان می دهد که ناحیه کم ازن به طور کلی به شکل گرداب قطبی محدود می شود، با این تفاوت که حداقل آن در ماه های سپتامبر و اکتبر به جای زمستان رخ می دهد، زیرا تابش خورشیدی شرط لازم برای تخریب لایه ازن است. با این وجود، میدان ازن همان تکامل فصلی میدان دما را نشان می دهد، یعنی از حالت متقارن منطقه ای تر در ژوئیه و آگوست (شکل های 1g, h) به عدم تقارن ناحیه ای بیشتر در سپتامبر تا نوامبر (شکل 1i-k)، و دوباره در دسامبر به حالت متقارن منطقه ای تر برمی گردیم (شکل 1l).

سوئیچ بین حالت های متقارن منطقه ای و نامتقارن به راحتی در فیلدهای "گردابی" مشاهده می شود که به صورت تعریف می شوند.