2019 Güney Yarımküre SSW İncelemesi

ÖZET

Ani Stratosfer Isınması (SSW) atmosferde nadir gerçekleşen meteorolojik hadiselerdir. Bu hadiseler her iki yarımkürede kış mevsiminde gerçekleşir ve yüzey havasını etkiler. Kuzey kutbunda gerçekleşen stratosfer ısınmaları, Güney kutbuna göre daha sıktır. Çünkü karasal alan Kuzey yarımkürede daha fazladır. Böylelikle tropiklerden ısı taşımımı daha kolay sağlanır.

Stratosfer ısınmasının tanımı literatürde farklılık göstermektedir. Yaygın olarak kullanılan tanım; kış mevsiminde her ikim yarımkürede, kutup bölgesindeki stratosfer rüzgarlarının batıdan doğuya dönmesidir. Böylelikle stratosferik konfigürasyon bozulmaya uğrar ve kutup girdabı rüzgarları zayıflar. Bu olay Ani Stratosfer Isınması(SSW) olarak adlandırılır. Zayıflayan stratosferik dolaşım ile kutup soğukları daha güney enlemlerde (Güney kutbunda kuzey enlemlerde) hissedilmeye başlar. Yüzey havasının etkilenmesiyle birlikte endeksler negatife doğru seyreder. Bu mekanizma troposfer katmanının stratosferle eşlenmesiyle karakterize edilir.

Isınmanın gücü ve şiddeti troposferi doğrudan etkiler. Eğer zayıf bir ısınma meydana gelmişse bu etki troposferde fazla hissedilmez ve yüzey havası etkilenmez. Tam tersi kuvvetli bir ısınma ’da bu etki troposfere kadar iner ve yüzey havasını etkiler. Bu bağlantı stratosfer-troposfer eşlemesi olarak adlandırılır. Yani stratosferdeki ısınmanın kuvveti, troposferi modüle eder. Bu bağlantıyı sağlayan Ani Stratosfer Isınması adı verilen meteorolojik hadisenin ortaya çıkmasının nedenleri tropiklerden kutuplara doğru taşınan sıcak havadır. Bu hava ısı akıları olarak adlandırılır ve Eliassen-Palm vektörüne yansıtılır.Eliassen ‐ Palm vektörü troposfer ve stratosfer arasındaki bağlantının bir miktar belirtimini veren faydalı türevlerdir [ Eliassen ve Palm , 1961 ]. Güçlü birleşme dönemlerinde, yani gezegen dalgaları güçlü olduğunda, akışlar da güçlüdür. Kutup girdabı parçalanma evresini tamamlarsa, akılar çok küçük değerlere düşer.Eddy ısı akısı temel olarak tropiklerden kutuplara hava cepheleri tarafından taşınan ısıya atıfta bulunmaktdır. Bu olay aynı zamanda Eliassen-Palm ilişkisi yoluyla stratosfere yayılan büyük miktarda dalga aktivitesini de işaret etmektedir.

Kutuplardaki stratosferik dolaşımı gezegensel dalga aktiviteleri kontrol eder.Gezegensel dalga aktivitesi ne kadar fazla olursa kutup bölgelerindeki stratosferik dolaşım o denli zayıflar.Bu dalgalar tropik troposferden yayılır ve ekstratropik stratosferde kırılır.Ardından kutup dolaşımını etkilemeye başlar.Gezegensel dalga 1’in genliğinin artması Kuzey yarımkürede kutup girdabı “yer değiştirme” adlı olayı,gezegensel dalga 2 genliğinin artması ise kutup girdabında“bölünme” adlı olayın ortaya çıkmasını sağlar.Güney kutbunda ise mekanizma daha farklıdır.Gezegensel Dalga-1 ciddi ısınmalara ve girdapta bölünmeye yol açabilmektedir.

Kutup girdabını rahatsız eden temel mekanızmaların yokluğunda ise kutup girdabı güçlüdür.Çünkü girdabın yapısını tehdit edecek herhangi bir unsur yoktur.

2.Kuzey ve Güney Kutbundaki Stratosferik Dolaşım

Kuzey kutbu kış mevsiminde kutup girdabı rüzgarları 40 m/s ile 50 m/s değerlerine ulaşırken Güney kutbu kış mevsiminde bu değerler 80 m/s’yi aşar. Bu nedenle Güney Yarımkürede gerçekleşen Ani Stratosfer Isınmaları (SSW) girdabın yapısını fazla tehdit edemez. Ancak çok güçlü bir ısı akışı sonucu meydana gelen stratosfer ısınması, girdabın kallavi yapısını etkileyebilir. Güney Kutbunda buna benzer büyük bir ısınma en son 2002 yılında gerçekleşmiş ve kutup girdabının bölünmesini sağlamıştır. Stratosferik rüzgarlar tamamen doğuya dönmüş ve literatürde “büyük bir ısınma” olarak adlandırılmıştır.

2.1 Güney Yarımküre SSW’si

Güney yarımküre’nin her yönüyle analiz edilmesi ve incelenmesi uzun vade için tahmin edilen hava olaylarının tutarlılığını arttırmaktadır.10 hPa’daki değişiklikler ile modüle edilen hava tahminleri Güney yarımküre’deki buzul erimelerinin şiddetini ve soğuk hava ataklarının yönü ile ilgili birçok bilgi sağlayabilmektedir. Özellikle 15 Ağustos 2019’dan sonra meydana gelen SSW olayı, Güney yarımküredeki stratosferin yakından incelenmesini önemli hale getirmiştir.

Bu makalede 2019 yılında gerçekleşen Güney Kutbu SSW (Ani Stratosfer Isınması) tüm yönleriyle incelenecektir.

3.Veri ve Yöntemler

Güney yarımküre ekstratropiklerdeki ısınmayı tanımlamak için NASA Antarktika MERRA-2 uydusu ısı akısı, sıcaklık ve rüzgâr analizi kullanılmıştır. Ayrıca Gezegensel dalgalar, eddy ısı dalgaları ve kutup girdabı eliptik tanılama haritaları için stratobserve sitesinden faydalanılmıştır.

Girdabın yapısı ve özellikleri hakkında sağlanan bilgiler için CP07 yöntemi ve M11 yöntemi kullanılmıştır. CP07 ,SSW’yi rüzgarların doğuya dönmesi ile modüle ederken M11 yöntemi sinoptik olarak 10 hPa jeopotansiyel yüksekliği ile SSW’yi açıklar. İncelemede 2 yönteminde kullanılması, girdap teşhisi hakkında daha net ve açıklayıcı bilgiler sağlayacaktır.

İlk olarak ısınmaya neden olan ısı akışının analizi,daha sonra bu ısı akışının polar stratosferdeki etkileri incelenecektir.

Grafik-1 45 Günlük 100 hPa 1-3 Dalga Isı Akıları

Dalga 1-3 ısı akılarındaki artış kutuplardaki meridyonel sirkülasyonu doğrudan etkilemektedir.Bu akılar tropiklerden kutuplara taşınan ısı dalgalarını temsil eder.Bu ısı dalgaları ile birlikte Brewer-Dobson Sirkülasyonu (BDC) güçlenir ve kutuplardaki stratosferik dolaşım zayıflar.Grafik-1’de verilen dalga akış grafiğine göre Ağustos ayının 15’inden sonra 100 hPa’da Güney kutbuna yayılan dalgaların genliği artmıştır.Bunun sonucunda Güney kutup stratosferinin ısınmasıyla birlikte girdap dolaşımının zayıflama ihtimali yüksektir.Grafikteki Dalga 1-3 arasındaki dalga genlikleri gezegensel ölçekli dalgalar,yer çekimi dalgaları ve kelvin dalgaları ile kontrol edilir.

Grafik-2 10 hPa Girdap Isı Akışı

Girdap ısı akışındaki artış diğer bir SSW sinyalidir.Grafik-2’de verilen 10 hPa girdap ısı akışı rekor kırmıştır.Bu olay ilerleyen safhalada büyük bir SSW habercisi olabilir.

Şekil-1 ve Şekil-2 de verilen grafiklerde tropiklerden Güney kutbuna büyük bir ısı akışı olduğu gözlemlenmektedir.Bu ısı akışı kutup bölgesindeki stratosferi etkiledikten birkaç gün sonra zayıflayarak ortadan kalkar.

Şekil-1 40-80S Eddy Isı Akışı

Eddy ısı akışı,tropiklerden kutuplara taşınan sıcak hava ile karakterize edilen faydalı türevlerdir.Şekil-1’de 30 Ağustos ısı akışında 100 hpa’da kuvvetli bir artış gözlemlenmektedir.Bu artış dalga genliklerini arttırarak kutuplara doğru yayılır.

Grafik-3 10 hPa 60S Dalga-1 Yükseklik Genliği

Stratosferin zayıflaması, Yükseklik Dalgası 1’in genliğinin artarak tropikler tarafından ısı akışı gerçekleşmesiyle ortaya çıkar. Şekil-2’de 60 derece güney enleminde Dalga-1’in yüksekliği

verilmiştir. Bu yükseklik “geopotantial meter” yani GPM olarak ifade edilen, belirli basınç seviyeleri arasındaki farkın metre cinsinden ifade edilmesiyle ortaya çıkar. Grafiğe göre 10 hPa jeopotansiyel yükseklik dalga genliğinin artması, Güney kutup bölgesin antisiklon yerleşmesiyle sonuçlanır.

Şekil-3                                        10 hPa 60S Dalga-1 Yükseklik Genliği Anomalisi

Şekil-3’de verilen Dalga-1 yükseklik genliği anomalisi ağustos ayından itibaren ortalama üstünde seyretmiştir.Dalga-1’in genliği,tüm yılların ortalamasından daha yüksek olması nedeniyle kutup girdabı önceki yıllara göre daha fazla ısınmıştır.

Şekil-4 SAM Endeksi

Güney Yıllık Modu (SAM) endeksi: stratosferik polar girdabın gücünü temsil eden, 10 hPa'da (20 ° N kuzeyde) aylık jeopotansiyel yüksekliğe sahip kovaryans matrisinin önde gelen EOF modu [örneğin, Baldwin ve arkadaşları , 2001 ] ifade eder. Pozitif bir SAM, daha güçlü bir stratosferik polar girdap ile karakterize edilir. Şekil-4’de verilen endekse göre kutup girdabı 10 hPa değerleri negatiftir. Polar vorteksin zayıflamasına işaret eder. Ayrıca SAM endeksi, stratosfer-troposfer eşlemesini gözlemlemek için en uygun endeks türlerinden biridir. Bu nedenle verilen tarih incelendiğinde ilerleyen günlerde stratosfer-troposfer eşlemesi olması muhtemeldir.

Şekil-5 Eddy ısı ve momentum akıları

Eddy ısı akıları ve momentum akıları 100 hPa (troposfer) genlikleri 5 eylülden itibaren tekrar artış göstererek stratosfere yayılan gezegensel dalgalara işaret etmektedir.

3.1 Pasifik Okyanusu Konveksiyonları

Pasifik Okyanusu’nda oluşan konveksiyonlar gezegensel dalga aktivitesinin artmasını sağlar. Orta enlemlerde meridyonel sirkülasyon güçlenir. Aynı zamanda kutuplardaki stratosfer zayıflar ve troposfer ısınır. Bu ilişki konveksiyonların sıklığı ile modüle edilir. Pasifik okyanusundaki konveksiyonlar latent ısı alanları oluşturarak havanın 400 hPa’da ısınmasını sağlar. Isınan hava gezegensel dalgaları, Kelvin dalgaları ve yükseklik dalgaları ile kutuplara nüfuz eder. Konveksiyonlar ne kadar fazlaysa gezegensel dalga aktivitesi o kadar artar. Batı Hint okyanusundan başlayan ve Doğu Pasifik Okyanusuna kadar ilerleyen konveksiyonlar her iki yarımkürede kış mevsiminde ekstratropiklere etki eder. Kuzey yarım kürede Orta Pasifikteki Konveksiyonlar kutup bölgesini etkilerken Güney yarım kürede Batı Hint Okyanusunda gelişen konveksiyon kutbu etkiler.MJO Faz 1(P1) sırasında, Güney yarımkürede polar stratosferde bir soğutma ve mezosferde bir ısınma oluşur. MJO konveksiyonunun, ekstratropik troposfere yayılan bir Rossby dalga hattını, MJO endekslerinin 10 günlük bir gecikmesi ortaya çıkar. Dalga-1 bileşeni, troposferin (200 hPa) üzerindeki MJO konveksiyonunun neden olduğu jeopotansiyel yükseklik anomalilerinin en önemlisidir. 100 hPa'da ekstratropikal (40 ° -80 ° S ortalama) EP akısının en önemli pozitif anormal dikey bileşeni, MJO P1'den 15 ila 35 gün sonra ve MJO P5'ten 5 ila 10 gün sonra bulunur; Dalga-1 ve Dalga-2 anormal EP akısı, toplam EP akı anomalisinin çoğundan sorumluyken, Dalga-1 bileşeni daha önemlidir.Troposferik PW bozulmasına bir cevap olarak, Güney yarımküre stratosferin orta ve yüksek enlemlerindeki gezegensel Rossby dalgalarının yukarı doğru yayılması MJO P1'den 10,20 gün, MJO P5'ten 0-10 gün sonra önemli ölçüde artmaktadır. MJO P1'den sonra, EP Flux'un en önemli pozitif anomalileri 20 ila 30 günlük gecikmelerde bulunur. Dalga-1 bileşeni, Dalga-2'ye göre daha güçlüdür. Öte yandan, dikey EP akısı anomalilerinin gelişimi, MJO P5'ten sonraki 0-10 günlük gecikmelerde en belirgindir. Sonuç olarak, Brewer-Dobson (BD) sirkülasyonu, artık ortalama meridyonel sirkülasyonun ortaya koyduğu gibi, her iki periyotta da önemli ölçüde güçlendirilir; Daha güçlü dolaşım ile ilişkili aşağıya doğru hareket, stratosferik SH (Güney Yarımküre) polar bölgesinde pozitif sıcaklık anomalilerine yol açar. Güney yarımküre kutup bölgesindeki adyabatik ısı, stratosferdeki MJO P1 için 30 günlük bir gecikme ve MJO P1 için 10 günlük bir gecikme ile önemli ölçüde pozitif sıcaklık anomalilerine yol açar.[The Response of the Southern Hemisphere Middle Atmosphere to the Madden–Julian Oscillation during Austral Winter Using the Specified-Dynamics Whole Atmosphere Community Climate Model-Chengyun Yang,2017].MJO faz 1 ,konveksiyonun batı hint okyanusunda geliştiğini temsil eder.Faz 1’den sonraki aşamalarda konveksiyon Orta Pasifiğe doğru yayılır ve faz geçişi sağlanır. Güney kutbundaki polar girdabına dikey yayılan gezegensel dalgalar Mjo’nun 1 ve 5 aşamalarında artış gösterir ve girdap dolaşımını etkiler. Batı Hint Okyanusunda gelişmiş bir konveksiyondan 25-30 gün sonra bölgesel dalga-1 genliği artar ve güney kutbuna ısı akışı sağlanır. Konveksiyonun gücü ve derinliği ısı akışındaki miktarı kontrol etmektedir.

Şekil-6 Konveksiyon Haritası

200 hPa hız potansiyel anomalileri,konveksiyonun geliştiği bölgeleri temsil etmektedir.Şekil-6’da verilen haritada kırmızı bölgeler konvektif yağış için uygun,mavi bölgeler ise konvektif yağışlar için uygun olmayan bölgeleri temsil eder.Haritaya göre Batı Hint Okyanusu ve Hindistan çevresinde kuvvetli konvektif aktivite meydana gelmiştir.Eliassen-Palm ısı akıları ve dalga aktivteleri Güney kutbundaki polar stratosfer girdaba nüfuz edecektir.Bu olay troposferden yükselen Rossby Dalga trenleri ile kutup bölgesinde bir antisiklon ile sonuçlanmıştır.

3.2 Polar Stratosfer Verilerinin İncelenmesi

Şekil-7 CPC/AMSU NOAA-19 10 hPA Stratosfer Sıcaklık Analizi

Şekil-1’de verilen sinoptiğe göre 28 Ağustos 2019 tarihi 60-90 derece güney enlemi 120-90 derece doğu boylamında stratosfer ısınması gerçekleşmiştir.Bu ısınma Antarktika bölgesindeki stratosferik dolaşımı etkileyerek girdabın yapısına müdahale etmektedir.Ayrıca ısınmayla birlikte stratosfer soğukları güney kutup merkezinden uzaklaşmıştır.

Güney Kutup stratosferınde oluşan bu ısınmaya karşılık stratosferik dolaşım zayıflamaktadır.Bu olay ise soğukların güney kutbundan uzaklaşarak daha üst enlemlere doğru yayılmasıyla sonuçlanabilir.

Şekil-8                                     CPC/AMSU NOAA-19 10 hPA Stratosfer Sıcaklık Analizi+144

144 saat sonra ikinci bir ısınma ortaya çıkmıştır.Bu ısınma 10 hPa Stratosferini iki merkeze bölerek kutup girdabı parçalanmas olayıyla sonuçlanabilir.

Grafik-4 60-90S 10 hPa Bölgesel Sıcaklıklar

Grafik-3’de ısınmadan sonra 10 hPa bölgesel sıcaklıklar 240 kelvin ile rekor kırmıştır.Bu rekor stratosferik dolaşımın tamamen zayıflayarak doğuya dönme ihtimalini yükseltmektedir.

Grafik-4 850 K İzentropik Yüzey Girdap Alanı

Ortaya çıkan ısınmayla beraber kutup bölgesinde stratosferden troposfere kadar ısınan bölge, girdap alanının küçülmesine neden olmuştur.Grafik-4’de 850 K(10 hPa) da verilen Girdap alanı yani polar vorteks alanındaki yüzdesel kayıplar ısınmanın en büyük sonuçlarından biridir.

Grafik-4.1 60S Bölgesel 10 hPa Rüzgarları

Grafik-4.1’de verilen 10 hPa bölgesel rüzgarlar 30 m/s’ye kadar düşmüştür.İlerleyen günlerde ısı akışının kuvveti ve sürdürülebilirliğine göre bu değer dahada azalarak bölgesel rüzgarları tamamen doğu istikametine dönmesiyle sonuçlanabilir.

Harita-1 Global Forecast System 500 hPa Jeopotansiyel Yükseklik

Isınmadan sonra pozitif 500 hPa jeopotansiyel yükseklik alanı kutup bölgesine yerleşmiştir.Bu artıştan etkilenerek yükselen 1500 metre ve 2 metre sıcaklıkları buzul erimesine katkı sağlamaktadır.

4.Sonuçlar

15 Ağustostan itibaren tropiklerde gelişen konveksiyonun derinliği ve sıklığı ile Güney kutbuna taşınan sıcak havanın artmasıyla beraber 60-90 S 60-120 E arasında stratosfer ısınması meydana gelmiştir.Bu olay,ısınmanın kuvveti ve tropiklerden yayılan gezegensel dalga genliğinin yüksek olması nedeniyle son yıllarda gerçekleşen en şiddetli SSW sınıfına dahil edilmiştir.İlerleyen günlerde ise Güney kutup bölgesindeki kutup soğuklarının Güney Amerika Kıtası dahil olmak üzere bir çok ülkeye yayılması beklenmektedir.

Güncel verilere göre ısı akışı devam ediyor.Güney kutbundaki polar vorteks rüzgarları 1979'dan bu yana ilk kez 30 m/s'nin altına inerek rekor kırdı.Aynı zamanda stratosferik dolaşımın zayıflamasıyla beraber 30 hpa ve 10 hpa yüksek sıcaklık rekoru yinelendi.

Eliassen-Palm dikey bileşenli vektörlere göre ısı akışı zayıflama eğilimi göstermemektedir.Bu olay ilkbahar mevsimine yaklaşan güney kutbundaki stratosferik rüzgarların tekrar pozitife meyil etmesine engel olarak birdahaki kış mevsimine kadar kutbi girdabı tamamen ortadan kaldırabilir.

Bölgesel dalga akı genliklerine göre dalga 1 'in genliği artarak seyrine devam etmektedir.Diğer dalga genlikleri stratosferik dolaşım üzerinde etkisi olsa'da Güney kutbundaki dolaşımı değerlendirmede en büyük etken bölgesel dalga 1 'in genliğidir.Batı hint okyanusunda derinleşen konveksiyon dalga-1 genliğine müdahale ederek tropiklerden güney kutbunda ısı taşınımını sağlar.

10 hPa sıcaklık haritasına göre polar vorteks yer değiştirmiştir.Bu olay girdap üzerinde bölünme ile sonuçlanırsa kutup bölgesine ikinci bir antisiklon yerleşebilir.

10 hPa sıcaklıkları

Verilen harita 500 hPa sıcaklıklarını kapsamaktadır.Zayıflayan stratosferik dolaşımın yüzey havasına etkileri net bir şekilde gözlemlenmektedir.