Vorteks Tanımlama Yöntemleri

Stratosferdeki ve mezosferdeki kutupsal girdapları tanımlamak için farklı yöntemler kullanılır. Stratosferik kutupsal girdaplar, Harvey ve diğerleri tarafından açıklanan akış işlevi tabanlı algoritma ile tanımlanır. ( 2002 ; bundan sonra H02 olarak anılacaktır ). Bu algoritma, meteorolojik yeniden analizlerden elde edilen sıcaklık, basınç ve yatay rüzgarlar hakkında bilgi gerektirir. Stratosferik girdap tanımlama işleminin ilk adımında, sıcaklık, basınç ve yatay rüzgar bileşenleri, izantropik yüzeylere doğrusal olarak enterpolasyonludur. İzantropik yüzeyler 300 K (~ 10 km) ile 4600 K (~ 75 km) arasında değişir ve 2–3 km dikey çözünürlük elde etmek için aralıklıdır. Ardından akış fonksiyonu (ψ) ve gerinim / dönme ( Q ) parametresi (örneğin, Haynes,1990 ) hesaplanır. Daha sonra hem rüzgar hızı hem de Q , ψ izolinlerinetrafına entegre edilir. Bu ψ hatları S işareti değiştirir (dönme iç hakim ve gerilme dışında hakim olacak şekilde) haline girdap kenar adaylar . Vorteks kenarı daha sonraen hızlı rüzgar hızına sahip ψ aday izolinolarak atanır. H02 algoritması, üst troposferik subtropikal jet artık sonuçları kirletmeyecek şekilde değiştirildi. Yani 500 K'nin (~ 20 km) altında ekvatora doğru sınır 40 ° enlemdir (15 ° yerine)

Bu çalışma boyunca ψ girdap tanımlama yöntemi, Araştırma ve Uygulamalar için Modern Çağ Retrospektif analizi sürüm 2'den MERRA ‐ 2 Bosilovich vd 2015 Molod vd. 2015 meteorolojik verilere uygulanmıştır . M2I6NVANA koleksiyonundaki 6 saatlik anlık üç boyutlu analiz edilen meteorolojik alanlar bu çalışmada kullanılmıştır. Veriler Dünya yüzeyinden 0,01 hPa'ya (~ 75 km) uzanan 72 model seviyesinde 0,5 ° enlem 0,625 ° yatay çözünürlükle günde 4 kez sağlanır Global Modeling and Assimilation Office 2015 . Bu yeniden analiz yarı-iki yılda bir salınımın geliştirilmiş bir temsiliyle sonuçlanan değiştirilmiş bir GW sürükleme parametreleştirmesine sahiptir Coy ve diğerleri, 2016 Molod ve diğerleri 2015 Ayrıca üst stratosfer ve alt mezosferdeki dinamikleri daha iyi sınırlandırmak için Ağustos 2004'ten başlayarak (Gelaro ve diğerleri 2017 ) Mikrodalga Uzuv Siren (MLS) sıcaklığını ve 5 hPa'nın üzerindeki ozonu asimile eder. Başlangıçta stratopoza yakın MERRA ‐ 2 sonuçlarını, aralarında MERRA (Rienecker vd 2011 ) Avrupa Orta Menzilli Hava Tahminleri Merkezi Ara Dönem yeniden analizi (ERA ‐ I, Dee et al 2011 ) Japon 55 yıllık Reanalizi (JRA ‐ 55 Kobayashi ve diğerleri 2015) ve Ulusal Çevresel Tahmin Merkezlerinin İklim Tahmin Sistemi Yeniden Analizi (CFSR) ve İklim Tahmin Sistemi, sürüm 2'den (CFSv2 Saha ve diğerleri 2010 2014 ) birleştirilmiş veri kayıtları . Bu yeniden analiz sistemlerinin ayrıntıları, asimile edilmiş gözlemlerin kapsamlı bir listesi ve zaman içinde modellerde yapılan değişiklikler dahil olmak üzere yukarıdaki referanslarda verilmiştir

İlk olarak (1) ψ yönteminin sağlam olduğunu ve (2) yukarıda bahsedilen meteorolojik yeniden analizlerin, çok yıllık ortalama kutupsal vorteks oluşum sıklığı ve 2005-2015 boyunca enlem boyutuna göre stratopozda genel olarak uyumlu olduğunu gösteriyoruz. Şekil 1 Kuzey Yarımküre NH ve (b) Güney Yarımküre SH'de beş yeniden analiz veri setinde coğrafi enlem ve yılın 1 hPa'da bir fonksiyonu olarak çok yıllı (2005–2015) ortalama kutupsal girdap frekanslarını (renkli konturlar) göstermektedir. Şekil 1'i oluşturmak için önce vorteks işaretçisinin bölgesel olarak ortalamasını alıyoruztarlada her gün ve ardından her mevsimde ortalama 13 yıl günlük kuşak anlamına gelmektedir. Sayısal olarak, günlük 3-B girdap işaretleyici alanı, girdabın içinde (dışında) bulunan her ızgara noktasına 1 (0) değeri atanacak şekilde tanımlanır. Örneğin tek bir ızgara noktasında 13 yıllık bir ortalama değer 0.8 ise bu o ızgara noktasında% 80'lik bir girdap frekansına dönüşür. Bu nedenle, bu çalışma boyunca girdap oluşum frekansı, belirli bir enlem bandında (bölgesel araçlar için) veya belirli bir ızgara noktasında girdabın mevcut olduğu sürenin yüzdesi olarak tanımlanır. MERRA ‐2 bölgesel ortalama rüzgarlar, dinamik bağlam sağlamak ve bu irtifada% 50 frekans konturlarının maksimum rüzgar hızlarıyla nasıl çakıştığını göstermek için ince siyah çizgiler kullanılarak arka planda şekillendirilir. Üst stratosferdeki bu yükseklikte, her iki yarım kürede de vorteks oluşum tarihinin yeniden analizleri arasında mükemmel bir uyum vardır. Bu yükseklikte, beş yeniden analiz veri kümesinin hepsinde Kuzey Kutbu girdabı tipik olarak 9 Eylül'de ve Antarktika girdabı 6 Mart'ta oluşur. Girdap enlem kapsamının ve süresinin evriminde beş yeniden analiz arasında iyi bir genel uyum vardır. Kutup girdapları en çok CFSR / CFSv2'deki kutup enlemleriyle sınırlı olma eğilimindedir ve MERRA-2'de daha düşük enlemlerde bulunur ve bu farklılıklar, PNJ'nin ortalama enlemindeki (gösterilmemiştir) küçük (1 ° -2 °) farklılıklarla tutarlıdır. ) MERRA‐ 2 (kırmızı)% 50 girdap frekans çevriti, diğer dört yeniden analizden% 5-10 daha fazla ekvatora doğru uzanır, bu tanımlama algoritmasının yatay rüzgarlardaki küçük farklılıklara olan hassasiyetini yansıtır. Kuzey Kutbu girdabının dağılma tarihinde 5 günlük bir yayılma ve Antarktika girdap kırılma tarihinde 3 günlük bir yayılma vardır (girdap frekansları sıfıra gittiğinde, gösterilmemiştir) Bununla birlikte, girdap kırılma tarihinde önemli miktarda yıllar arası değişkenlik vardır, bu nedenle burada gösterilen küçük farklılıklar, yıldan yıla girdap uzun ömürlülüğündeki mutabakatı temsil etmek zorunda değildir. Bu sonuçlar, tüm bu yeniden analiz veri setlerinin 2005–2015 döneminde stratopozda vorteksin çok yıllık ortalama mevsimsel evrimini yeterince yakaladığını göstermektedir. Bu çalışmanın geri kalanı için, girdap kırılma tarihinde önemli miktarda yıllar arası değişkenlik vardır, bu nedenle burada gösterilen küçük farklılıklar, yıldan yıla girdap uzun ömürlülüğündeki mutabakatı temsil etmek zorunda değildir. Bu sonuçlar tüm bu yeniden analiz veri setlerinin 2005–2015 döneminde stratopozda vorteksin çok yıllık ortalama mevsimsel evrimini yeterince yakaladığını göstermektedir. Bu çalışmanın geri kalanı için, girdap kırılma tarihinde önemli miktarda yıllar arası değişkenlik vardır, bu nedenle burada gösterilen küçük farklılıklar yıldan yıla girdap uzun ömürlülüğündeki mutabakatı temsil etmek zorunda değildir. Bu sonuçlar tüm bu yeniden analiz veri setlerinin 2005–2015 döneminde stratopozda vorteksin çok yıllık ortalama mevsimsel evrimini yeterince yakaladığını göstermektedir

Çok yıllı (2005–2015) (a) NH ve (b) SH'de farklı beş yeniden analiz veri setinde coğrafi enlem ve yılın 1 hPa (~ 50 km) gününün bir fonksiyonu olarak kutupsal vorteks frekansı (renkli çizgiler) ortalama: MERRA, MERRA ‐ 2, ERA ‐ Interim, JRA ‐ 55 ve CFSR / CFSv2. Polar girdap frekansları dayanmaktadır ψtanımlama yöntemi ve konturlar, vorteksin% 50 oranında mevcut olmasına karşılık gelir. NH'deki aylar, kış her iki panelin ortasında olacak şekilde kaydırılır. MERRA ‐ 2 bölgesel ortalama rüzgarlar, arka planda ince siyah kontur çizgileriyle her 20 m / sn'de bir konturludur. X kene etiketleri her ayın 15'indedir. NH için üstte ve SH için altta X işareti görünür. NH = Kuzey Yarımküre; SH = Güney Yarımküre; MERRA = Araştırma ve Uygulamalar için Modern Çağ Retrospektif analizi; CFSR = İklim Tahmin Sistemi Yeniden Analizi; CFSv2 = İklim Tahmin Sistemi, sürüm 2.

Yeniden analiz veri setleri henüz mezopoza kadar sağlam veriler sağlamadığından, mezosferik girdaplar Harvey ve diğerleri tarafından açıklanan CO gradyan yöntemi ile tanımlanır. ( 2015 ). Burada sunulan çalışma için CO, Ağustos 2004'ten günümüze kadar uzanan ve her gün dünyayı kaplayan ~ 3,500 dikey profil sağlayan MLS veri kaydından elde edilir (Waters ve diğerleri, 2006 ). 3.150'den az profile sahip günler (beklenen sayının% 90'ı) atlanır (bkz. Https://mls.jpl.nasa.gov/cal/index.php gün takvimi için). Bu çalışma için, mezosfer boyunca en yeni sürüm 4 karbon monoksit (CO) ve jeopotansiyel yükseklik (GPH) verilerini kullanıyoruz. GPH ve sıcaklık verileri, 118 ve 234 GHz'deki mikrodalga termal oksijen emisyonlarından alınır. Sürüm 4.2 GPH veri ürünleri, önceki sürümlere benzer (Livesey ve diğerleri, 2017 ); sürüm 2.2 ürünleri Schwartz ve ark. ( 2008 ). GPH, alınan sıcaklığın dikey olarak entegre edilmesiyle elde edildiğinden, dikey çözünürlük iyi tanımlanmamıştır. Bununla birlikte, mezosferde sıcaklık verilerinin dikey çözünürlüğü 6–10 km'dir (Livesey vd., 2017). Bireysel GPH profilleri için kesinlik (ve doğruluk) tahminleri 1 hPa'da 45 m (+100 m) ile 0,001 hPa'da 110 m (−450 m) arasında değişir (Livesey et al., 2017 ). GPH verileri, hem yükselen hem de alçalan düğümler için ızgaralıdır ve gelgit etkilerini azaltmak için iki düğümün günlük ortalaması alınır. Daha sonra günlük ortalama GPH alanlarından jeostrofik rüzgarları hesaplıyoruz (örneğin, Holton, 2004 , denklem (3.11)). Bölgesel ortalama bölgesel rüzgarlar için kesinlik tahminleri 0.01 hPa'da (~ 80 km) 2 m / s'dir. CO, 240 GHz bandında tespit edilen ışımalardan alınır ve Pumphrey et al. ( 2007 ) ve Livesey ve ark. ( 2008 ). Mezosferde, CO verilerinin dikey çözünürlüğü 5–7 km'dir ve Livesey et al. ( 2017)% 20-50 pozitif önyargıya işaret eder, önceki sürümlere göre hafif bir gelişme (Froidevaux ve diğerleri, 2006 ). Vorteks tanımlama yöntemi yatay CO gradyanlarına dayandığından, bu sapmanın etkisi minimumdur. MLS CO ve GPH verileri, sırasıyla 0,0046 (~ 85 km) ve 0,001 hPa (~ 90 km) 'ye kadar bilimsel çalışmalarda kullanılmak için yeterli kalitededir. Bu çalışma için, GPH ve CO verileri, MLS bilim ekibi tarafından sağlanan kesinlik, durum, kalite ve yakınsama eşiği değerleri kullanılarak filtrelenmiştir (Livesey vd., 2017 ).

Kutupsal kış stratosferinde ve mezosferde, yüksek CO girdaba iner (örneğin, Engel ve diğerleri, 2006 ; Huret ve diğerleri, 2006 ) ve girdap kenarında büyük yatay gradyanlar (örneğin, Allen ve diğerleri, 1999 ) . Mezosferdeki girdabı tanımlayan CO gradyan yöntemi, girdap kenarını, CO gradyanlarının eşdeğer enlemin bir fonksiyonu olarak maksimize ettiği yer olarak tanımlar (elat, Harvey ve diğerleri, 2015 ). Yaygın olarak kullanılan Nash ve ark. ( 1996) potansiyel vortisiteye dayanan stratosferik girdabı ortaya çıkarmak için algoritma, ancak CO gradyan yöntemi bir rüzgar hızı kriteri empoze etmemektedir. Burada kullanılan kimyasal tanım, 50-80 km rakım aralığında günlük MLS CO alanlarına uygulanmıştır ve her iki yarım küredeki mezosferik kutupsal girdapların coğrafi konumu, MLS veri kaydının her gününde rakımın bir fonksiyonu olarak arşivlenmiştir. (> 13 yıl).

Ψ ve CO gradyan girdap kimlik algoritma midwinter içinde Stratopoz yakınında mükemmel uyum içindedir (Harvey ve diğerleri., 2015 ). Stratosferde CO gradyan yöntemi, ψ yöntemine göre girdap için daha muhafazakar (daha küçük) bir tahmin sağlar ve McDonald ve Smith'in ( 2013 ) algoritmasına benzer seyreltilmemiş vorteks çekirdek havasını güvenilir bir şekilde tanımlar , ancak kenar havasını değil. Mezosferde ψ yöntemi, daha muhafazakar (daha küçük) girdap tahminiyle sonuçlanma eğilimindedir. Bunun nedeni, ara sıra ciddi şekilde sivrilen mezosferik bir girdapla sonuçlanan ikincil yüksek enlem jet akımlarının ortaya çıkmasıdır.üst seviyelerde. Bununla birlikte, CO gradyan yaklaşımı, subtropiklerde güçlü, kalıcı jet akımlarıyla çakışan bir mezosferik girdap kenarıyla sonuçlanma eğilimindedir. Genel olarak, eser gazlardaki en büyük yatay gradyanlarla aynı yerde bulunduğundan, subtropikal girdap kenarının mezosferde doğru olduğunu düşünüyoruz.

Bu çalışmada sunulan sonuçlarda ψ yöntemi genellikle stratosfer boyunca girdabı tanımlamak için kullanılır ve mezosferde CO gradyanı yöntemi kullanılır. 60 km'nin üzerinde, CO gradyan yöntemine dayalı olarak vorteks frekanslarına daha fazla güveniyoruz. Bu Harvey ve ark. ( 2015 ), 60 km'nin altındaki ψ yönteminden yukarıdaki CO gradyan yöntemine geçmeyi öneriyor . Bunun nedenleri iki yönlüdür: bir analiz tekrarı rüzgarlarda (1) belirsizlikler yüksekliği ile artar ve (2) çift püskürtme yapıları yaygındır ve kontamine ψ merkezli algoritması. Yani, sonbahar ekinoksundan ilkbahar ekinoksuna kadar, CO gradyan yöntemi genellikle 0,1 hPa'da (~ 65 km) ve üzerinde kullanılır. Ancak, ψyöntem, düşme ekinoksundan önce ve bahar ekinoksundan sonra, CO pasif izleyici olarak kabul edilemediğinde 0.1 hPa'nın üzerine uzanır ve ψ yöntemi, yüksek CO henüz aşağıya taşınmadığı zaman girdap oluşumu sırasında ~ 75 km'ye kadar uzanır.

Bu son nokta, iki farklı vorteks tanımlama yöntemi kullanılarak her iki yarım kürede irtifa fonksiyonu olarak vorteks oluşumunun ortalama tarihini gösteren Şekil 2'de gösterilmektedir. Daireler, ψ tanımlama yöntemine göre girdap oluşum tarihini gösterir . Elmaslar, her yükseklikte, kutupsal girdapların CO gradyan algoritması kullanılarak başarıyla tanımlandığı tarihi gösterir. Daireler, hem Kuzey Kutbu hem de Antarktika kutup vortekslerinin ilk olarak sonbahar ekinoksundan yaklaşık 10 gün önce 60 km civarında gözlemlendiğini ve yaklaşık 1 hafta boyunca hem yukarı hem aşağı doğru hızla uzadığını gösteriyor. X çevreleri ve elmas arasındaki ofset ekseni girdap oluşumu takip eden bir zaman aralığı (göre olduğunu belirtirψ yöntemi) CO gradyan algoritması girdabı başarıyla tanımlamaya başlamadan önce. Bu gecikme 75 km'de 2 hafta ile 45 km'de 2 ay arasında değişir ve sonbaharın başlarında oluşum sırasında girdabın kimyasal tanımına dayalı çalışmaları engeller. Bu gecikme süresinin bir sonucu olarak, yalnızca sonbaharın sonlarında (NH'de Ekim ve Kasım ve SH'de Nisan ve Mayıs) CO gradyan tabanlı girdap frekanslarını gösteriyoruz. Bu çalışmada 60 km'nin altındaki CO gradyan algoritmasına dayalı sonuçları göstermemekle birlikte, bu şekil, diğer çalışmalarda yapıldığı gibi, kış ortası boyunca 30 km'ye kadar CO gradyanları kullanarak girdabı belirlemenin mümkün olduğunu göstermektedir ( örneğin, Funke ve diğerleri, 2017 )

NH (mavi) ve SH'de (kırmızı) ψ tanımlama yöntemine (daireler) dayalı bir irtifa fonksiyonu olarak girdap oluşum gününün (sonbahar Ekinoksuna göre) grafiği . Elmaslar, CO gradyan algoritmasının girdabı başarıyla ortaya çıkardığı ilk günü gösteriyor. Hem daireler hem de elmaslar burada, 80 ° enlemde girdap frekanslarının% 5'i aştığı gün olarak tanımlanmıştır. NH = Kuzey Yarımküre; SH = Güney Yarımküre.