Skip to main content

Evaluatie van de stratosferische circulatie in klimaatmodellen

Research Topic Chapter
News flash intro
De Brewer-Dobson-Circulatie (BDC) is het wereldwijde systeem van atmosferische stromingen in de stratosfeer en de mesosfeer. In de tropen transporteert het luchtmassa's opwaarts, dan naar de polen, en terug neerwaarts in de middelste en hoge breedtegraden. Het is algemeen bekend dat de BDC een grote invloed heeft op de ozonlaag, maar de details van dit mechanisme zijn nog niet volledig begrepen en de weergave ervan in klimaatmodellen vereist verder onderzoek. Wij hebben dit probleem aangepakt door het gemiddelde effect van de BDC op de langlevende tracer distikstofoxide (N2O) in de stratosfeer te bestuderen, aan de hand van een vergelijking van verschillende datasets.
Body text

Omdat distikstofoxide (N2O, ook wel lachgas genoemd) een langlevende chemische tracer is, is het in de stratosfeer minder reactief dan ozon en wordt het dus duidelijker beïnvloed door transport, waardoor het ideaal is om er de invloed van de Brewer-Dobsoncirculatie op de ozonlaag mee te bestuderen. Bovendien is N2O op zichzelf een belangrijk onderwerp omdat het bijdraagt tot de afbraak van de ozonlaag en een krachtig broeikasgas is.

We hebben het budget van stratosferische N2O-schommelingen berekend, waarbij we de bijdragen van het transport (de BDC) en van de chemische processen hebben gescheiden. De invloed van de BDC op de N2O-veranderingssnelheid werd verder opgesplitst in advectie (transport door lange-afstandsstromingen) en menging (door grootschalige wervelingen). We hebben ons geconcentreerd op de bijdragen van de verticale advectie en de horizontale menging, aangezien dit de belangrijkste oorzaken zijn van de N2O-veranderingen in de stratosfeer.

De invloed van de twee processen hangt grotendeels af van de breedtegraad. N2O wordt geproduceerd in de troposfeer en komt de stratosfeer binnen in de tropen. De verticale advectie, die door de BDC wordt aangedreven, verhoogt de hoeveelheid N2O in de gehele tropische stratosfeer. Dit genereert meridionale gradiënten in de hoeveelheid stratosferische N2O: in de tropen is er een grote hoeveelheid N2O, maar op de middelste breedtegraden is N2O bijna afwezig. Hier speelt de horizontale menging een rol, die de N2O-concentraties tussen de tropen en de middelste breedtegraden homogeniseert. In de poolgebieden verandert de verticale advectie van teken en transporteert ze N2O naar beneden, naar de tropopauze.

We hebben de rol van verticale advectie en horizontale menging in verschillende datasets geëvalueerd en vergeleken:

  • het vrij-lopende Chemie-Klimaat Model CESM/WACCM;
  • het BASCOE Chemie-Transport Model, aangestuurd door vier verschillende reanalyses van atmosferische dynamica: ERA-Interim, JRA-55, MERRA en MERRA-2;
  • BRAM2, een reanalyse door het BASCOE-assimilatiesysteem van de chemische waarnemingen van het NASA-instrument Aura/MLS.

Evaluatie van de gemodelleerde verticale advectie

Deze datasets komen zeer goed overeen op het noordelijk halfrond, en goed op het zuidelijk halfrond, behalve boven de Antarctische regio, waar WACCM en JRA-55 verschillen van de andere datasets. De jaar-tot-jaar-variabiliteit van de verticale advectie term wordt gekenmerkt door grote verschillen tussen de verschillende datasets in de midden-stratosferische tropische gebieden, als gevolg van de Quasi tweejaarlijkse oscillatie (Quasi Biennial Oscillation) van de zonale winden en de invloed daarvan op de tropische opwelling vanuit de troposfeer.

Evaluatie van de gemodelleerde horizontale menging

Op het noordelijk halfrond is de bijdrage van de horizontale menging tijdens de winter zwakker in WACCM dan in de reanalyses. Maar het is boven Antarctica dat de grootste verschillen in deze horizontale mengingsterm te zien zijn, ook tijdens de winter en dus in de polaire vortex. Volgens de reanalyses speelt de horizontale menging in die regio een grote rol, terwijl dit proces in WACCM vrijwel geen rol speelt.

De horizontale mengingsterm is het meest variabel in de poolgebieden in de midden-stratosfeer. In de Antarctische lente houdt dit verband met de variabiliteit van de datums waarop de vortex opbreekt, terwijl het in de Arctische winter samenhangt met de zeer variabele polaire vortex.

Deze studie heeft aangetoond in welke gebieden van de stratosfeer een geavanceerd klimaatmodel zoals WACCM verder moet worden verbeterd, en heeft daartoe referentiegegevens aangereikt. Deze referentiegegevens zijn afkomstig van toonaangevende reanalyses van satellietwaarnemingen, waaronder de BRAM2-reanalyse van stratosferische chemie die door het BIRA is gecreëerd.

 

Referenties:

Minganti, D., Chabrillat, S., Christophe, Y., Errera, Q., Abalos, M., Prignon, M., Kinnison, D.E., and Mahieu, E. (2020). Climatological impact of the Brewer-Dobson circulation on the N2O budget in WACCM, a chemical reanalysis and a CTM driven by four dynamical reanalyses. Atmospheric Chemistry and Physics, 20(21), 12609-12631. https://doi.org/10.5194/acp-20-12609-2020 Open Access Logo

Figure 2 body text
Figure 2 caption (legend)
Jaarcyclus (2005-2014) op 15hPa (~30 km) voor (a,b) de N2O-volumemengverhouding (ppbv), (c,d) de horizontale mengingsterm (ppbv/dag) en (e,f) de verticale advectieterm in de (a,c,e) Antarctische regio (80-60°Z) en de (b,d,f) Arctische regio (60-80°N).
Publication date