Polar Vorteks Frekans Dağılımları

Şekil 3 mevsimsel bölgeli ortalama enlem irtifa girdap frekans dağılımları yıl 2005-2017 üzerinden ortalaması karşılaştırır ψ tabanlı ve CO gradyan girdap tanımlama yöntemleri. Elde edilen sonuçlar, ψ merkezli girdap yöntemi renkli hat çizgileri ile gösterilen ve 60 km kadar uzanır. Bu sonuçlar H02'deki siyah konturlarla karşılaştırılabilir (Birleşik Krallık Meteoroloji Ofisi verilerinde 1991–2001 yıllarına dayanan Şekil 5'e bakın). 60 km'nin üzerindeki renklerle dolu bölgeler, CO gradyan yöntemine dayalı vorteks frekanslarını gösterir. Nedenlerle, yukarıda tartışılan için, Şekil NH, CO gradyan bazlı girdap frekansları 3 bir Ekim ve Kasım sırasında ve Şekil SH ortalamalarıdır 3c, Nisan ve Mayıs aylarındaki ortalamalardır

Mevsimsel bölgelere göre ortalama enlem-yükseklik girdap oluşumu frekans dağılımları 2005-2017 yılları arasında ortalamalıdır. Konturlar, MERRA ‐ 2 verilerini kullanan ψ yöntemine göre frekans değerlerini belirtir . Renkli dolgulu bölgeler, MLS verilerini kullanan CO gradyan yöntemine göre aynı kontur seviyelerinde vorteks frekanslarını gösterir. 100 değerleri, girdabın iklim biliminin her gününde tüm boylamlarda mevcut olduğu anlamına gelir. MERRA ‐ 2 = MERRA = Araştırma ve Uygulamalar için Modern Çağ Retrospektif analizi sürüm 2; MLS = Mikrodalga Uzuv Sireni; SON = Eylül - Kasım; MAM = Mart - Mayıs; DJF = Aralık - Şubat; JJA = Haziran - Ağustos.

H02 arasında mükemmel birliği vardır ψ az son on yılda daha rahatsız 1990'larda girdap rağmen stratosfere boyunca burada gösterilen tabanlı girdap frekansları. Ψ (konturlar) ve CO gradyanlarına (renk dolgusu) dayalı sonuçlar 60 km civarında iyi uyum içindedir. Kuzey Kutbu kutup girdabı, sonbahar, kış ve ilkbaharda stratopozdan yaklaşık 80 km'ye kadar genişler. Antarktika girdabı da ilkbaharda yükseklikle mezosfere doğru genişler (Şekil 3 a), ancak sonbaharda (Şekil 3 c) ve kış ortasında (Şekil 3d) renklerle dolu frekans konturları (60 km'nin üzerinde) daha dikey yöndedir ve bu, kışın başlarında yükseklik ile daralan ve ardından kışın sonlarında yükseklikle genişleyen bir girdabı yansıtır (bu özellikler Şekil 8'de açıkça gösterilecektir ). 70 km'de hem Kuzey Kutbu hem de Antarktika kutup girdapları, Mart ayında NH'de ve Eylül'de SH'de en uzak ekvatora doğru uzanır, bu sırada girdaplar kutup merkezli olma eğilimindedir. PW rahatsızlıkları nedeniyle stratosferde azalan frekanslara rağmen, kışın (Aralık-Şubat) kutup mezosferindeki Arktik girdap zamanın>% 90'ında mevcuttur. Mezosferde, Antarktika'daki kış ortası frekans değerleri (Şekil 3 d), Kuzey Kutbu'ndakinden sadece% 5 daha yüksektir (Şekil 3b). Buna karşılık, stratosferde, Antarktika'daki kış ortası frekansları, Kuzey Kutbu'nunkinden yaklaşık iki kat daha yüksektir. Bu nedenle, kutupsal girdaplar arasındaki hemisferik farklılıklar, stratosfere kıyasla mezosferde daha küçüktür.

İlk sırada, stratosfer ve mezosferdeki ortalama vorteks yapısı, bir bölgesel ortalama artı bir PW-1 bölgesel asimetri ile karakterize edilir. PW'ler başlangıçta troposferden yayılırken, mezosferik PW'ler de GW filtrelemede stratosferik bölgesel asimetriler tarafından üretilir (Lieberman ve diğerleri, 2013 ; Smith, 2003 ) ve yerinde kararsızlıklar tarafından modüle edilir (Siskind ve diğerleri, 2010 ). Aslında, yarı-sabit PW1 yapıları, kış mezosferindeki sıcaklık, rüzgar ve iz gaz dağılımlarının gözlemlerinde kapsamlı bir şekilde belgelenmiştir (örneğin, Allen ve diğerleri, 2000 ; Demirhan Bari ve diğerleri, 2013 ; Forbes ve diğerleri, 2002 ; Gabriel vd., 2011; Hirota ve Barnett, 1977 ; Ialongo ve diğerleri, 2012 ; Offermann ve diğerleri, 2003 ; Sassi ve diğerleri, 2002 ; Smith, 1996 , 1997 ; Wang ve diğerleri, 2000 ). Stratosferik ve mezosferik kutupsal girdaplar kutbu çevreleme eğilimindeyken, her mevsimde her iki yarım kürede kutuptan uzaklaşırlar. Şekil 4 , Şekil 3'te gösterilen bölgesel araçları tamamlamak için vorteks frekansının mevsimsel boylam-yükseklik kesitlerini göstermektedir . Ψ'ye göre sonuçlar(konturlar) ve CO gradyanları (renkli dolgu) 60 km civarında iyi uyum içindedir. Sonbahar mevsimlerinde ortaya çıkan süreksizlikler (panel a ve d), ψ'den doğrusal olarak geçiş yapılarak azaltılabilir.55 km'nin altındaki sonuçlar ile 65 km'nin üzerindeki CO2 eğimine dayalı sonuçlar. Sonbaharda, kışın ve ilkbaharda her iki yarım kürede stratosfer ve mezosfer boyunca girdap frekansında belirgin bir PW1 modeli vardır. 65 ° enlemde vorteks çevresine yakın bu PW imzaları, Kuzey Kutbu ve Antarktika kutup vortekslerinin, irtifanın bir fonksiyonu olarak (kırmızı noktalarla gösterildiği gibi) değişen tercih edilen boylam sektörlerinde daha sık gözlendiğini göstermektedir. Bu enlemlerde, stratosferik girdap, Greenwich Meridyeni yakınında, Tarih Çizgisi yakınında olduğundan daha sık görülür ve mezosferik girdap, Amerika boylam sektöründe, NH'de veya Avustralya'da SH'de Asya'dan daha sık görülür. Kış ortası boyunca SH stratosferinde bile (Şekil 4e) girdabın bölgesel olarak simetrik olduğu düşünüldüğünde, 40 km'deki uzunlamasına varyasyonlar, girdabın Wilkes Land ve Güney Hindistan Havzası yakınlarına göre Weddell Denizi yakınlarında (300 ila 330 ° D arasında) ~% 15 daha sık bulunduğunu gösterir ( 120 ° E'ye yakın). Burada gösterilen kutupsal vorteks frekansındaki PW1 baskısı, France ve ark. ( 2012; Şekil 6, siyah konturlara bakın) ve H02'nin çalışmasını (Şekil 7, siyah konturlara bakın) üst mezosfere doğru genişletir. CO gradyan girdap frekansları 70 km'nin üzerine düşer; ancak bu klimatolojinin yaklaşık üst sınırı olan 78 km'de, girdap frekansları, kış ortasında Kuzey Amerika boylam sektöründe% 70 ile% 80 arasında kalmaktadır. Bu, mezosferik kutupsal girdapların burada gösterilen en üst seviyeden bile daha yüksek rakımlara uzandığını gösterir. Bu kalıcı yarı-durağan PW1 modelleri, yer temelli enstrümanların polar vorteksin içinde ve dışında ne sıklıkla örneklendiğine dair çıkarımlara sahiptir.

Şekil 3'e benzer, ancak x ekseni, her panelin merkezinde Greenwich meridyeni ile boylamdır. Kesitler 65 ° Kuzey'de Kuzey Yarımküre'de (üst sıra) ve 65 ° Güney'de Güney Yarımküre'de (alt sıra). Her iki yarım kürede de paneller sonbahar (a ve d), kış (b ve e) ve ilkbahar (c ve f) mevsimindedir. Maksimum kutupsal girdap oluşum frekansının boylamı kırmızı noktalar ( ψ yöntemi için) ve kırmızı çizgi ile bağlanan kırmızı elmaslar (CO gradyan yöntemi için) ile gösterilir. 100 değerleri, vorteksin iklim biliminin her gününde belirli bir ızgara noktasında mevcut olduğu anlamına gelir. NH = Kuzey Yarımküre; SH = Güney Yarımküre; SON = Eylül - Kasım; MAM = Mart - Mayıs; DJF = Aralık - Şubat.

65 ° K ve 65 ° G enlemindeki yükseklikteki girdap fazı eğimini gösteren Şekil 4'ün bir uzantısı olarak , Şekil 5 , tüm enlem ve yüksekliklerde mevsimsel girdap aşaması bilgilerini özetlemektedir. Burada faz, vorteks frekanslarının% 20'yi aşması koşuluyla, maksimum vorteks oluşum frekansının boylamı olarak tanımlanır. Girdap fazı bilgisi 60 km'nin altındaki ψ yöntemine ve yukarıdaki CO gradyan yöntemine dayanmaktadır ; bu yükseklik seviyesinden geçiş nispeten düzgün bir şekilde gerçekleşir ve 60 km'ye yakın konturlardaki süreksizlik ile gösterilir. Bu sonuçlar, vorteksin batıya doğru eğiminin Şekil 4'te gösterilen yükseklikte olduğunu göstermektedir. tüm kutup enlemlerinde oluşur. Kutupsal girdapların tabanı alt stratosferde bulunur; 20 km yakınında, kutbun yakınındaki Arktik vorteks , beklendiği gibi (örneğin, H02 ve oradaki referanslar) 60 ° D boylam sektörüne doğru kayma eğilimindedir ( NH'de Şekil 5 a - 5 c). Benzer şekilde, Antarktika'da ilkbaharda (SH'de Şekil 5 a) girdabın ortalama konumu 30-60 ° D'ye doğru kaydırılır. Kış ortasındaki Antarktik girdabının

stratosferde kutup merkezli olduğu iyi bilinmektedir; ancak Şekil 5 ile sonuçlanır d stratosferik vorteksin çevresi boyunca ve alt mezosfer boyunca, 45 ° G ile 75 ° G arasında zayıf bir batıya doğru eğim olduğunu göstermektedir. Tüm vorteks mevsimleri boyunca her iki yarım kürede 60 ila 80 km arasında, kutuptan subtropiklere maviden kırmızıya değişen renkler, her yükseklikte, en yüksek vorteks frekanslarının yatay (boylam-enlem) yönünün SW boyunca hizalandığını yansıtır. ‐NE (NH'de) pozitif eğimli çukur ekseni (bu özellik Şekil 7'de gösterilecektir ). İklimsel olarak, üst stratosferdeki ve mezosferdeki hem Arktik hem de Antarktik kutup girdapları, farklı derecelerde yükseklik ile batıya doğru eğilir ve tüm mevsimler boyunca SW-NE yönelimini (NH'de, SH'de oryantasyon GD-KB'dir) korur.

Maksimum girdap oluşum frekansının boylamı olarak tanımlanan, mevsimsel ortalama girdap aşamasının enlem-yükseklik bölümleri. Vorteks oluşum frekanslarının% 20'yi aştığı durumlarda faz gösterilir. Şekil 5 d' deki SH'de siyah kesikli çizgi ile çevrelenen siyah noktalı bölge , görülme sıklığının tüm boylamlarda% 100 olduğu yeri gösterir. Girdap fazı bilgisi 60 km'nin altındaki ψ yöntemine ve yukarıdaki CO gradyan yöntemine dayanmaktadır . SON = Eylül - Kasım; MAM = Mart - Mayıs; DJF = Aralık - Şubat; JJA = Haziran - Ağustos.

Kutupsal girdap frekansı dağılımları, üç boyutta bakıldığında belki daha fizikseldir. Bunu açıklamak için, Şekil 6 , SH (sol sütun) ve NH (sağ sütun) birden fazla irtifa seviyelerinde kış ortalama MLS GPH (renk dolu) ve polar vorteks frekansının (siyah konturlar) kutupsal ortografik projeksiyonlarını göstermektedir. Vorteks frekansları 25 ve 50 km'de ψ yöntemine ve 75 km'de CO gradyan algoritmasına dayanmaktadır . MLS GPH, kutupsal vorteks frekansı sonuçlarına dinamik bağlam sağlamak için arka planda gösterilir. 90 km'deki GPH, CO gradyan yönteminin genişlediğinden daha yüksek bir irtifadadır, ancak burada mezosferik girdap sonuçları ile kış mezopozunun yakınındaki büyük ölçekli akış arasında süreklilik sağlamak için gösterilmiştir.

Kışın kutupsal grafikleri, SH (sol sütun) ve NH'de (sağ sütun) birden fazla irtifa düzeyinde MLS GPH (renkli dolu) ve kutupsal girdap oluşum frekansı (siyah konturlar) anlamına gelir. Girdap oluşum sıklığı sınırları% 10'dan başlayarak% 20'de bir verilir. Haritalar 25, 50, 75 ve 90 km yakınında (aşağıdan yukarıya) verilmiştir. Haritalar, Greenwich Meridyeni'nin SH'de (solda) yukarı ve NH'de (sağda) aşağı doğru yönlendirilecek şekilde yönlendirilmiştir. Vorteks frekansları 25 ve 50 km'de ψ yöntemine ve 75 km'de CO gradyan algoritmasına dayanmaktadır . DJF = Aralık - Şubat; JJA = Haziran - Ağustos; MLS = Mikrodalga Uzuv Sireni; GPH = jeopotansiyel yükseklik; NH = Kuzey Yarımküre; SH = Güney Yarımküre.

25 ve 50 km'deki girdap klimatolojisi iyi bilinmektedir ve literatürle uyumludur (örneğin, H02; Şekil 9 ve 10'a bakınız). 25 km yakınındaki alt stratosferde, Kuzey Kutbu girdabı İskandinavya'ya doğru yer değiştirmiştir ve Antarktika girdabından önemli ölçüde daha zayıftır. Gerçekte, Aleutian High bu yükseklikte iklimsel bir özelliktir ve burada Kuzey Pasifik üzerinde yer alan kapalı bir GPH çevresi olarak görülebilmektedir (örneğin Harvey & Hitchman, 1996 ). 50 km yakınındaki üst stratosferde Antarktika vorteksi kutup merkezli ve bölgesel olarak simetrik görünürken, Kuzey Kutbu'nda vorteks, Tarih Çizgisi üzerindeki kalıcı PW kırılması nedeniyle kutuptan Greenwich Meridian'a doğru kaymış halde (Baldwin & Holton, 1988 ; Hitchman & Huesmann, 2007; Knox ve Harvey, 2005 ). Bu özellikler iyi belirlenmiştir (örneğin, H02, Waugh & Randel, 1999 ve oradaki referanslar). Şekil 4 ve 5'te tartışılan Antarktik girdabındaki bölgesel asimetrilerin bu bakış açısından açık olmadığına dikkat edin. 75 km'deki sonuçlar yenidir ve Harvey ve ark. ( 2015, Şekil 3h'ye bakın) burada, hemisferler arası karşılaştırmalara izin veren SH vorteks frekanslarını dahil ediyoruz. Bu yükseklikte, Kuzey Kutbu girdabı, Antarktika'ya kıyasla kutuptan daha uzağa yer değiştiren maksimum girdap frekanslarının (% 90 sınır ile gösterilen) daha fazla PW1 imzası sergiliyor. Bununla birlikte, mezosferdeki Arktik ve Antarktik vorteks frekanslarının genel uzaysal dağılımları, stratosferik benzerlerinden daha benzerdir. Hem Arktik hem de Antarktik vorteks kenarları subtropiklerde yer alma eğilimindedir; bu özellikle Kuzey Kutbu'nda geçerlidir. Bir sonraki bölümde geniş bir girdabın daha zayıf rüzgarlarla tutarlı olduğunu göstereceğiz.

Siyah konturlarla temsil edilen girdap klimatolojisi henüz 90 km'ye kadar uzanmazken, bu yükseklikte Kuzey Kutbu'na kıyasla Antarktika kutbu üzerinde çok daha derin ve daha iyi tanımlanmış bir çevresel siklon gözlemliyoruz. Gerçekten de, 50 ° G'de JJA'da 90 km 17 m / sn'ye yakın batı rüzgarları, 50 ° Kuzey'deki 10 m / sn'lik ortalama Aralık-Şubat rüzgarlarından önemli ölçüde daha güçlüdür (gösterilmemiştir). Antarktika üst mezosferindeki daha güçlü girdap şu şekilde açıklanabilir. Stratosferdeki PW'lerden gelen bölgesel yavaşlama, SH'de NH'ye göre çok daha zayıftır. Bu nedenle, stratopause etrafındaki ortalama bölgesel rüzgarlar, SH'de NH'ye göre çok daha güçlüdür. Daha güçlü stratosferik batı rüzgarı, batıdaki GW spektrumunun daha fazlasını filtreler ve bu, alt mezosferde doğu GW sürüklenmesiyle daha güçlü bir yavaşlamaya yol açar. Ancak, stratopozun çevresinde ve üzerindeki daha güçlü yavaşlama, stratosferden yukarı uzanan güçlü batı rüzgarlarının üstesinden gelmez. Dahası, Becker ve Vadas'ın yakın tarihli bir araştırmasına göre (2018 ), stratopoz etrafında ve üzerinde (birincil) GW'lerin doğu momentum birikiminden kaynaklanan vücut kuvvetleri, batıda bir GW sürüklemesi (bölgesel ivme) uyguladıkları mezopoz bölgesine yukarı doğru yayılan ikincil GW'lerle sonuçlanır. SH'deki doğu GW sürüklemesi NH'den daha güçlü olduğu için (yukarıda özetlendiği gibi), MLT'nin genel sirkülasyonu anlayışımızdaki bu yeni unsurun SH'de NH'den daha güçlü bir etkiye sahip olmasını bekliyoruz. Bu nedenle, daha güçlü ikincil GW'ler, NH ile karşılaştırıldığında SH'de kış aylarında üst mezosferde daha güçlü bir kutup girdabına katkıda bulunur. Gelecekteki çalışmalar, günlük evrimi araştıracak ve hem Antarktika hem de Kuzey Kutbu kutup vortekslerinin kış mezopozuna kadar ne sıklıkla uzandığını belirlemeye çalışacak.

PW1 yapısına odaklanan Şekil 7 , Şekil 6'ya benzer , ancak renkler artık girdap GPH'sini gösterir (bölgesel ortalama çıkarılmıştır). Bölgesel ortalamanın çıkarılması, arka plan akışına gömülü PW1'i vurgular. Kalın siyah çizgiler, Şekil 5'te gösterilen boylam (faz) bilgisini belirtir ve her enlemde vorteks oluşum frekansının nerede maksimize edildiğini gösterir. PW'nin genliği, 50 km'de Kuzey Kutbu'nda en büyüktür, ancak her iki yarım küredeki tüm yüksekliklerde değişen derecelerde görülebilir. Girdap GPH, girdap fazı bilgisinden bağımsızdır; ancak, siyah faz çizgilerinin negatif girdap GPH ile birlikte yerleştirilmesini bekliyoruz. Aslında, mezosferik kutupsal girdaplar genişken ve kutbu çevreliyor (Şekil 2'deki siyah konturlarda görüldüğü gibi) 6), maksimum vorteks frekansının boylamı (kalın siyah çizgiler), negatif girdap GPH ile çakışan, NH'de SW-NE ve SH'de GD-NW'ye yönelik meridyonel eksen boyunca uzanır. Bağımsız GPH verileri ile girdap tanılaması arasındaki bu karşılaştırma, kutupsal girdap tanımlama sonuçlarının ortalama anlamda sağlam olduğuna dair güven verir. İklimsel PW1 modelleri ve batıya doğru eğimli girdap yapıları iyi bilinirken, burada gösterilen 75 km'de girdap boylamı tercihi yenidir. Faz çizgileri, her iki yarım kürede 75 km'ye yakın kutup girdaplarının, enlemin bir fonksiyonu olarak değişen tercih edilen boylam sektörlerinde oluşma eğiliminde olduğunu gösterir. Yüksek enlemlerde, mezosferik kutup girdapları Amerikan sektöründe kalma eğilimindedir, ancak bu boylam tercihi daha düşük enlemlerde batıya doğru kayar.spiraller 50 ve 75 km'de NH'de SW ‐ NE ve SH'de GD ‐ NW yönünde. Sarmal desenlerin kendileri de yükseldikçe değişir; bu, artan yükseklik ile birlikte kutup girdaplarının batıya doğru eğimini yansıtır. Vorteks içindeki zemin tabanlı ölçümler öncelikliyse, aletler mümkün olduğunca siyah spirallere yakın yerleştirilmelidir, konumun ilgili yüksekliğe bağlı olarak değişeceği unutulmamalıdır.

MLS kışının kutupsal grafikleri, SH (sol sütun) ve NH (sağ sütun) 'de birden fazla irtifa seviyesinde girdap (eksi bölgesel ortalama) GPH (renk dolu) anlamına gelir. Haritalar 25, 50, 75 ve 90 km yakınında (aşağıdan yukarıya) verilmiştir. 90 km'de kontur aralığı, alt seviyelerdekinin yarısı kadar büyüktür. Kalın siyah çizgiler, vorteks oluşum frekansının enlemin bir fonksiyonu olarak maksimize edildiği (frekansın% 20 ile% 95 arasında olması koşuluyla) olarak tanımlanan vorteks fazını belirtir. Polar girdap fazı Şekil alınır 5 ve dayanır ψyöntem 25 ve 50 km'de ve CO gradyan algoritmasında 75 km'de. Haritalar, Greenwich Meridyeni'nin SH'deki (sol sütun) her panelin üstüne ve NH'deki (sağ sütun) aşağıya doğru yönlendirileceği şekilde yönlendirilir. NH = Kuzey Yarımküre; SH = Güney Yarımküre; MLS = Mikrodalga Uzuv Sireni; GPH = jeopotansiyel yükseklik.

90 km'de, ortalama PW1 paternleri zayıftır (daha düşük rakımlara kıyasla ± 0,4 km'lik daha küçük menzile dikkat edin), ancak özellikle SH'de görünür olmaya devam ediyor. Sabit PW1'in yukarı doğru genişlemesi, kısmen boylama bağlı (ağırlıklı olarak batıya doğru) GW sürüklemesinden kaynaklanıyor olsa da (Smith, 1996 , 1997 , 2003 ), ortalama bölgesel rüzgarın hemisferik farklılıklarının (bölgedeki daha güçlü doğuya doğru bölgesel akış) SH) kış mezosferinde, güney kış mezosferinde PW1'in dikey yayılımını destekler.