Dlaczego ITCZ się przesuwa i jak? - Climate Dynamics Group

Średnia roczna opadów (kolory) i wiatrów powierzchniowych (strzałki). Dane o opadach pochodzą z TRMM-TMPA dla lat 1998- 2012, a dane o wiatrach są oparte na reanalizie ECMWF interim dla tych samych lat. Na podstawie Schneider et al. (2014).

Większość deszczu na Ziemi spada w tropikalnym pasie deszczowym znanym jako Międzyzwrotnikowa Strefa Konwergencji (ITCZ), który średnio leży 6° na północ od równika. W ciągu ostatnich 15 lat stało się jasne, że położenie ITCZ może się drastycznie zmieniać w odpowiedzi na odległe zmiany, na przykład w pokrywie lodowej Arktyki. Jednak obecne modele klimatu mają trudności z dokładną symulacją ITCZ, często pokazując dwa ITCZ na północ i południe od równika, podczas gdy w rzeczywistości jest tylko jeden. Co kontroluje wrażliwość ITCZ na zdalne wymuszenia? I jak powstają modelowe błędy w ITCZ?

Badania paleoklimatyczne (np. Peterson et al. 2000, Haug et al. 2001) oraz seria badań modelowych począwszy od Vellinga i Wooda (2002), Chiang i Bitz (2005) oraz Broccoli et al. (2006) ujawniły jeden ważny czynnik powodujący przesunięcia ITCZ: różne ogrzewanie lub chłodzenie półkul przesuwa ITCZ w kierunku różnie ocieplającej się półkuli. Tak więc, kiedy półkula północna ociepla się, na przykład, ponieważ północna pokrywa lodowa, a wraz z nią polarne albedo, są zredukowane, ITCZ przesuwa się na północ. Można to zracjonalizować w następujący sposób: Kiedy atmosfera otrzymuje dodatkową energię na półkuli północnej, próbuje skorygować tę nierównowagę poprzez transport energii przez równik z północy na południe. Większość atmosferycznego transportu energii w pobliżu równika jest realizowana przez cyrkulację Hadleya, średnią zwrotnikową cyrkulację rotacyjną. ITCZ leży u podnóża wznoszącej się gałęzi cyrkulacji Hadleya, a cyrkulacja ta transportuje energię w kierunku jej górnej gałęzi, ponieważ energia (a dokładniej wilgotna energia statyczna) zwykle wzrasta wraz z wysokością w atmosferze. Transport energii w kierunku południowym przez równik wymaga istnienia ITCZ na północ od równika, więc górna gałąź cyrkulacji Hadleya może przekraczać równik idąc z północy na południe.

Aby zrozumieć, jak daleko od równika znajduje się ITCZ, warto rozważyć równowagę energetyczną atmosfery w stanie ustalonym

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

gdzie $F$ jest pionowo zintegrowanym strumieniem energii w atmosferze, $mathcal{R}$ to wkład energii radiacyjnej netto do kolumny atmosferycznej (różnica między zaabsorbowanym promieniowaniem krótkofalowym a wyemitowanym promieniowaniem długofalowym), a $mathcal{O}$ to oceaniczny pobór energii na powierzchni. Bilans energetyczny stwierdza, że atmosfera transportuje energię z regionów o poborze energii netto $(np. tropiki) w kierunku regionów o utracie energii netto (np. ekstratropiki). Broccoli et al. (2006) oraz Kang et al. (2008) zaobserwowali, że ponieważ ITCZ znajduje się w przybliżeniu tam, gdzie zanika meridionalny atmosferyczny transport masy w cyrkulacji Hadleya, zazwyczaj znajduje się również w pobliżu miejsca, gdzie zanika atmosferyczny transport energii: na$ F=0. Daje nam to możliwość uzyskania ilościowej relacji pomiędzy EFE lub ITCZ a wielkościami w atmosferycznym bilansie energetycznym. Skupiając się na średniej strefowej (np, w wystarczająco szerokim sektorze długości geograficznej) i rozszerzając strumień energii $F$ wokół równika (oznaczany przez indeksem 0) do pierwszego rzędu w szerokości geograficznej $delta$ daje

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

gdzie $a$ jest promieniem Ziemi. Zrównanie $delty$ z szerokością geograficzną EFE lub ITCZ implikuje $F(\delta) \approx 0$ , i możemy rozwiązać powyższe rozwinięcie dla $delty$ :

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

gdzie podstawiliśmy $\mathcal{R} - \mathcal{O}$ za rozbieżność równikowego strumienia energii z bilansu energetycznego powyżej.

Zależność pierwszego rzędu dla $delta$ pokazuje, że (1) położenie ITCZ jest dalej na południe, im silniejszy jest strumień energii atmosferycznej w kierunku północnym $F_0$ przez równik, i (2) ITCZ jest dalej od równika, tym słabszy jest dopływ energii atmosferycznej netto $\mathcal{R}_0 - \mathcal{O}_0$ na równiku.

Poniższy szkic ilustruje te zależności graficznie:

Atmospheric meridional energy flux and energy flux equator based on data from the ECMWF interim reanalysis for 1998-2012 — Atmospheric meridional energy flux (red) and energy flux equator based on data from the ECMWF interim reanalysis for 1998-2012 (Trenberth and Fasullo 2012). Jasnoczerwone cieniowanie wskazuje na szacowany błąd standardowy 0.2 PW (rzeczywista niepewność jest słabo znana). Niebieska linia szkicuje hipotetyczny scenariusz ze wzmocnionym poprzeczno-kwatorialnym strumieniem energii. From Schneider et al. (2014).

Rysunek przedstawia atmosferyczny wilgotny statyczny strumień energii $F$ w średniej strefowej i rocznej w obecnym klimacie (czerwona linia). Biorąc pod uwagę równikowe wartości strumienia energii $F_0$ i jego „nachylenia” wraz z szerokością geograficzną $\mathcal{R}_0-\mathcal{O}_0$ , równik strumienia energii $delta$ można wyznaczyć używając argumentów z góry. Jeśli w kierunku północnym poprzeczny równikowy strumień energii $F_0$ wzmacnia się (zaznaczony schematycznie niebieską linią), ale nachylenie $mathcal{R}_0$ pozostaje stałe, to równik strumienia energii $delta$ przesuwa się w kierunku południowym. Analogicznie, jeśli $wzrasta$ , równik strumienia energii $F_0$ przesuwa się w kierunku równika.

Kilka wcześniejszych badań wskazywało, że położenie ITCZ jest proporcjonalne do poprzeczno-kwatorialnego strumienia energii $F_0$ (np., Kang et al. 2008, Frierson i Hwang 2012, oraz Donohoe et al. 2013). Na to, że atmosferyczny dopływ energii netto moduluje wrażliwość położenia ITCZ na strumień między równikowy zwrócili uwagę Bischoff i Schneider (2014).

Jakie są niektóre implikacje tych spostrzeżeń z bilansu energetycznego? Analiza zwraca uwagę na znaczenie, jakie dla ITCZ ma atmosferyczny bilans energetyczny w pobliżu równika. Atmosferyczny dopływ energii netto $w pobliżu równika jest niewielką pozostałością (~20 W m2) dużych anulowań pomiędzy zaabsorbowanym promieniowaniem krótkofalowym (~320 W m2), wyemitowanym promieniowaniem długofalowym (~250 W m2) i oceanicznym poborem energii (~50 W m2). Subtelne przesunięcia w którymkolwiek z tych dużych terminów mogą prowadzić do stosunkowo dużych zmian w atmosferycznym dopływie energii netto w pobliżu równika, a tym samym do dużych przesunięć ITCZ. Podobnie, poprzeczny równikowy strumień energii$ F_0 (~-0.2 PW) reprezentuje małą resztkową nierównowagę pomiędzy dwoma półkulami, z których każda ma, na przykład, zyski energii promieniowania krótkofalowego i straty energii promieniowania długofalowego rzędu dziesiątek PW. To sprawia, że ITCZ jest czułym rejestratorem atmosferycznego bilansu energetycznego, i prawdopodobnie odpowiada za duże wahania pozycji ITCZ wywnioskowane z paleoklimatycznych proksemów (patrz Schneider et al. 2014 dla przeglądu).

Wyniki bilansu energetycznego wskazują również na sposób zrozumienia podwójnego ITCZ bias w modelach klimatycznych. Powyższe rozwinięcie pierwszego rzędu załamuje się, gdy atmosferyczny wkład energii netto znika. W takim przypadku trzeba przejść do wyższego rzędu w szerokości geograficznej i pojawiają się różne rozwiązania dla pozycji ITCZ. Omówimy to w przyszłym wpisie.

Ograniczeniem spostrzeżeń z bilansu energetycznego jest to, że nie zapewniają one zamkniętego mechanistycznego zrozumienia tego, co kontroluje pozycję ITCZ. Wielkości takie jak wkład energii atmosferycznej netto $i poprzeczny równikowy strumień energii$ F_0 zależą od siły cyrkulacji Hadleya, wśród innych czynników, która z kolei zależy od pozycji ITCZ. Jak są one powiązane mechanistycznie (na przykład poprzez równowagę pędu) pozostaje przedmiotem ciągłych badań.

Dodaj komentarz Anuluj pisanie odpowiedzi