Waarom verschuift de ITCZ en hoe? - Climate Dynamics Group

Jaarlijkse-gemiddelde neerslag (kleuren) en oppervlaktewinden (pijlen). De neerslaggegevens zijn afkomstig van TRMM-TMPA voor de jaren 1998-2012, en de windgegevens zijn gebaseerd op de tussentijdse analyse van het ECMWF voor dezelfde jaren. Uit Schneider et al. (2014).

De meeste regen op aarde valt in de tropische regengordel die bekend staat als de Intertropische Convergentiezone (ITCZ), die gemiddeld 6° ten noorden van de evenaar ligt. In de afgelopen 15 jaar is duidelijk geworden dat de positie van de ITCZ drastisch kan verschuiven als reactie op veranderingen op afstand, bijvoorbeeld in de ijsbedekking van het Noordpoolgebied. De huidige klimaatmodellen hebben echter moeite om de ITCZ accuraat te simuleren en laten vaak twee ITCZ’s ten noorden en ten zuiden van de evenaar zien, terwijl er in werkelijkheid maar één is. Wat bepaalt de gevoeligheid van de ITCZ voor externe invloeden? En hoe ontstaan de modelfouten in de ITCZ?

Klimatologische studies (bijv. Peterson et al. 2000, Haug et al. 2001) en een reeks modelstudies, te beginnen met Vellinga en Wood (2002), Chiang en Bitz (2005) en Broccoli et al. (2006), hebben één belangrijke oorzaak van ITCZ-verschuivingen aan het licht gebracht: differentiële opwarming of afkoeling van de hemisferen doet de ITCZ verschuiven naar het hemisfeer dat differentieel opwarmt. Dus wanneer het noordelijk halfrond opwarmt, bijvoorbeeld omdat de noordelijke ijsbedekking en daarmee het polaire albedo afnemen, verschuift de ITCZ naar het noorden. Dit kan als volgt worden beredeneerd: Wanneer de atmosfeer op het noordelijk halfrond extra energie ontvangt, probeert zij dit gebrek aan evenwicht te corrigeren door energie over de evenaar te transporteren van het noorden naar het zuiden. Het grootste deel van het atmosferische energietransport nabij de evenaar wordt bewerkstelligd door de Hadley-circulatie, de gemiddelde tropische omwentelingscirculatie. De ITCZ ligt aan de voet van de opgaande tak van de Hadley-circulatie, en de circulatie transporteert energie in de richting van de bovenste tak, omdat energie (of, nauwkeuriger, vochtige statische energie) gewoonlijk toeneemt met de hoogte in de atmosfeer. Voor zuidwaarts energietransport over de evenaar is dan een ITCZ ten noorden van de evenaar nodig, zodat de bovenste tak van de Hadley-circulatie de evenaar kan oversteken van het noorden naar het zuiden.

Om te begrijpen hoe ver de ITCZ van de evenaar verwijderd is, helpt het om de steady-state atmosferische energiebalans

$te bekijken, F = \mathcal{R} - \mathcal{O}$ ,

waar $F$ de verticaal geïntegreerde energieflux in de atmosfeer is, $emathcal{R}$ de netto stralingsenergie-input in een atmosferische kolom is (het verschil tussen de geabsorbeerde kortgolvige straling en de uitgezonden langgolvige straling), en $emathcal{O}$ de oceaanenergie-opname aan het oppervlak is. De energiebalans stelt dat de atmosfeer energie transporteert van gebieden met een netto energie-input $\mathcal{R}-\mathcal{O}$ (b.v. de tropen) naar gebieden met een netto energieverlies (b.v. de extratropen). Broccoli et al. (2006) en Kang et al. (2008) merkten op dat, omdat de ITCZ ongeveer daar ligt waar het meridionale atmosferische massatransport in de Hadley-circulatie verdwijnt, hij meestal ook dicht bij de plaats ligt waar het atmosferische energietransport verdwijnt: bij de “evenaar van de energieflux” (EFE) waar $F=0$ . Dit geeft ons een handvat om een kwantitatief verband te leggen tussen de EFE of ITCZ en de grootheden in de atmosferische energiebalans. Door ons te concentreren op het zonale gemiddelde (bijv, over een voldoende brede lengtesector) en de uitbreiding van de energieflux $F$ rond de evenaar (aangeduid met subscript 0) tot eerste orde in breedtegraad $delta$ geeft

$F(\delta) \approx F_0 + (\mathrm{div}, F)_0 a \delta$ ,

waar $a$ de straal van de aarde is. Door $delta$ gelijk te stellen aan de breedtegraad van de EFE of ITCZ ontstaat $F(\delta) bij benadering 0$ , en kunnen we de bovenstaande uitbreiding oplossen voor $\delta$ :

$delta = -\frac{1}{a} \, \frac{F_0}{\mathcal{R}_0-\mathcal{O}_0}$ ,

waarbij we $\mathcal{R} - \mathcal{O}$ hebben gesubstitueerd voor de equatoriale energiefluxafwijking uit de energiebalans hierboven.

De eerste-orde relatie voor $\delta$ toont aan dat (1) de ITCZ-positie zuidelijker is naarmate de atmosferische energieflux $F_0$ over de evenaar noordwaarts sterker is, en (2) de ITCZ verder van de evenaar ligt, hoe zwakker de netto atmosferische energietoevoer $Mathcal{R}_0 - \mathcal{O}_0$ aan de evenaar is.

De volgende schets geeft deze relaties grafisch weer:

Atmosferische meridionale energieflux en energieflux evenaar op basis van gegevens van de ECMWF interim-analyse voor 1998-2012 — Atmosferische meridionale energieflux (rood) en energieflux evenaar op basis van gegevens van de ECMWF interim-analyse voor 1998-2012 (Trenberth en Fasullo 2012). De lichtrode arcering geeft een geschatte standaardfout van 0,2 PW aan (de werkelijke onzekerheid is slecht bekend). De blauwe lijn schetst een hypothetisch scenario met versterkte cross-equatoriale energieflux. Uit Schneider et al. (2014).

De figuur toont de atmosferische vochtige statische energieflux $F$ in het zonale en jaargemiddelde in het huidige klimaat (rode lijn). Gegeven de equatoriale waarden van de energieflux $F_0$ en van zijn “helling” met de breedtegraad $\mathcal{R}_0-\mathcal{O}_0$ , kan de energieflux equator $\delta$ worden bepaald met behulp van de argumenten uit het voorgaande. Als de noordwaartse dwars-equatoriale energieflux $F_0$ sterker wordt (schematisch aangegeven door de blauwe lijn), maar de helling $\mathcal{R}_0-\mathcal{O}_0$ vast blijft, verschuift de energieflux evenaar $F_0$ naar het zuiden. Evenzo, als $Mathcal{R}_0-\mathcal{O}_0$ toeneemt, verschuift de energieflux evenaar naar de evenaar.

Verschillende eerdere studies hadden erop gewezen dat de ITCZ-positie evenredig is met de trans-equatoriale energieflux $F_0$ (bijv, Kang et al. 2008, Frierson en Hwang 2012, en Donohoe et al. 2013). Dat de netto atmosferische energietoevoer de gevoeligheid van de ITCZ-positie voor de cross-equatoriale flux moduleert, is opgemerkt in Bischoff en Schneider (2014).

Wat zijn enkele implicaties van deze inzichten uit de energiebalans? De analyse vestigt de aandacht op het belang voor de ITCZ van de atmosferische energiebalans nabij de evenaar. De netto toevoer van atmosferische energie ${R}-{O}$ nabij de evenaar is het kleine residu (~20 W m2) van grote annuleringen tussen geabsorbeerde kortgolvige straling (~320 W m2), uitgestraalde langgolvige straling (~250 W m2), en oceaanenergie-opname (~50 W m2). Subtiele verschuivingen in één van deze grote termen kunnen leiden tot relatief grote veranderingen in de netto atmosferische energie-inbreng nabij de evenaar en daarmee tot grote ITCZ-verschuivingen. Evenzo vertegenwoordigt de dwars-equatoriale energieflux $F_0$ (~-0,2 PW) een kleine resterende onbalans tussen de twee hemisferen die elk bijvoorbeeld een kortgolvige stralingsenergiewinst en langgolvige stralingsenergieverliezen van tientallen PW hebben. Dit maakt de ITCZ tot een gevoelige graadmeter van de atmosferische energiebalans en verklaart waarschijnlijk de grote schommelingen in de ITCZ-positie die uit paleoklimatologische proxies zijn af te leiden (zie Schneider et al. 2014 voor een overzicht).

De resultaten van de energiebalans wijzen ook in de richting van een manier om de dubbele-ITCZ bias in klimaatmodellen te begrijpen. De eerste-orde-expansie hierboven breekt af wanneer de netto atmosferische energie-input verdwijnt. In dat geval moet men overgaan tot een hogere orde in breedtegraden, en ontstaan er meerdere oplossingen voor de ITCZ-positie. We zullen dit in een volgend bericht bespreken.

Een beperking van de inzichten uit de energiebalans is dat ze geen sluitend mechanistisch begrip opleveren van wat de ITCZ-positie bepaalt. Grootheden als de netto atmosferische energietoevoer $Mathcal{R}-\mathcal{O}$ en de cross-equatoriale energieflux $F_0$ hangen onder meer af van de sterkte van de Hadley-circulatie, die op haar beurt weer afhangt van de ITCZ-positie. Hoe deze mechanistisch met elkaar samenhangen (bijvoorbeeld via de impulsmomentbalans) blijft een onderwerp van lopend onderzoek.

Geef een reactie Antwoord annuleren