Absencia atlantického odtlačku viacstrannej variability európskej teploty v zime | prírodná komunikácia

Absencia atlantického odtlačku viacstrannej variability európskej teploty v zime | prírodná komunikácia

Anonim

predmety

  • Atmosférická dynamika
  • Fyzikálna oceánografia

abstraktné

Klíma severnej pologule citlivo reaguje na multidecadálnu variabilitu teploty morského povrchu v severnom Atlantiku (SST). Preto je prekvapujúce, že v zime západoeurópska teplota zjavne chýba takáto variabilita, a to napriek tomu, že klíma Európy je silne ovplyvnená okolitým oceánom, kde všadeprítomná variabilita priemerných SST v povodí pretrváva vo všetkých ročných obdobiach. Tu sledujeme príčinu tohto chýbajúceho odtlačku k dynamickej anomálii atmosférickej cirkulácie, ktorá maskuje jeho termodynamickú reakciu na anomálie SST. Konkrétne rozdiely v dráhach Lagrangiánskych častíc vedú do Európy počas anomálnych zimy SST potláčajú očakávané výkyvy vo výmene tepla vzduch-more akumulované pozdĺž týchto trajektórií. Pretože dekadickú variabilitu v severoatlantickom priemere SST môže čiastočne poháňať obeh Atlantiku (Meridional Overturning Circulation, AMOC), dynamické prispôsobenie atmosféry tomuto spôsobu variability môže mať významné dôsledky pre reakciu teploty v zime v Európe na plánovanú AMOC 21. storočia. klesať.

úvod

Vo veľkom meradle je multidecadálna variabilita morskej povrchovej teploty v severnom Atlantiku (SST), často označovaná ako atlantická multidecadálna oscilácia (AMO), výraznou črtou podnebia v severnej pologuli 1, 2 : sucho Sahel 3, hurikány Atlantik 4, veľké stupnica atmosférickej cirkulácie 2, 5, 6, 7 a letná európska teplota a zrážky 8, 9 všetky citlivo reagujú na túto nízkofrekvenčnú variabilitu v severoatlantickom SST. Viaceré štúdie naznačujú, že príčinou tejto oscilácie SST je vnútorná variácia v prenose tepla v oceáne, pravdepodobne súvisiaca s variabilitou oblúka atlantického poludníka (AMOC) 10, 11, 12, s úlohou provokačného pôsobenia vonkajšej a / alebo atmosferickej stochastickej sily. nedávna diskusia 13, 14, 15, 16 . Dôkazy na podporu interne poháňanej variability AMO prichádzajú vo forme náhradných dôkazov o pretrvávajúcej oscilácii počas posledných 8 000 rokov 17 a o rekonštrukcii tohto druhu variability v mnohých modelových štúdiách, a to aj v prípade, že neexistujú vonkajšie sily 18, 19, 20 .

Je dobre známe, že severný Atlantik výrazne ovplyvňuje západoeurópske podnebie, pričom najzreteľnejším prejavom je neobvyklé zimné teplo regiónu v porovnaní so zonálnym priemerom v rovnakých zemepisných šírkach 21 . Nedávna štúdia navyše ukázala, že časová variabilita zimnej západoeurópskej teploty je do značnej miery daná veľkosťou turbulentných tokov vzduchu a mora pozdĺž trajektórií lagrangiánskych leteckých balíkov na ceste do Európy 22 . Spolu s dôkazmi, že variabilita tepelných tokov vzduch - more nad Atlantickým oceánom je riadená oceánom na dekadálnych a dlhších časových mierkach 23, je prirodzené očakávať, že dekadálne výkyvy SST v mierke by sa mali premietnuť do premenlivosti európskej teploty. Skutočne, vo všetkých obdobiach okrem zimy je odtlačok AMO evidentný pri európskej teplote 8, 9 . Anomálie SST spojená s AMO pretrváva počas celého roka 5, 10, čím sa neprítomnosť zimného signálu AMO v západnej Európe stáva ešte viac záhadnejšou (obr. 1a).

Image

a ) Časové rady lineárne dezorientovaného SST severného Atlantiku (čierne čiary, ďalej len „index AMO“) a SAT, spriemerované v západnej Európe ([36N 60N] × [10W 3E]; zobrazené farebnými čiarami) v júli (horný panel). ) a január (spodný panel). Tučným písmom sa zobrazujú 10-ročné prevádzkové prostriedky. Korelačný koeficient medzi 10-ročným priemerným priemerom poškodeného indexu SAT a AMO je v júli 0, 61 (štatisticky významný pri 10% úrovni spoľahlivosti aj po zohľadnení zníženého efektívneho stupňa slobody v dôsledku autokorelácie časových radov) a −0, 02 v januári; tieto korelácie nie sú citlivé na priemerný región vybraný pre západnú Európu. Červené krúžky v januárovom grafe označujú AMO-pozitívne roky vybrané pre kompozitnú analýzu, zatiaľ čo modré krúžky označujú AMO-negatívne roky. b ) Študijný región zahŕňajúci západnú Európu ([36N 60N] × [10W 3E]) a miesta na uvoľnenie uvoľnenej lagrangiánskej častice (čierne štvorce).

Obrázok v plnej veľkosti

Navrhujeme, aby AMO úzko súvisel s premenlivosťou polohy a sily búrkovej dráhy, ktorá potláča vplyv anomálneho SST na toky tepla pozorované lagrangiánskymi pozemkami prechádzajúcimi do Európy. Na vyhodnotenie tejto možnosti skúmame Národné strediská environmentálnej predikcie / Národné centrum pre výskum atmosféry Reanalýza 20. storočia (20CR) 24 z doplnkových euleriánskych a lagrangiánskych perspektív. 20CR je jedným z najdlhších v súčasnosti dostupných produktov analýzy a je verným nezávislými pozorovaniami búrky v severovýchodnom Atlantiku od roku 1940 ďalej 25 . Analyzujeme teda variabilitu búrok a lagrangiánskych dráh v období od roku 1940 do roku 2011, čo zahŕňa jeden celý cyklus AMO.

výsledok

Eulerovský pohľad

Index AMO, vypočítaný na základe plošne váženého priemeru lineárne poškodeného poľa SST nad severným Atlantikom 9, 26, je všeobecne pozitívny od roku 1940 do roku 1963 a od roku 1996 do roku 2011 a záporný od roku 1966 do roku 1994 (obrázok 1a). Existujú rôzne prístupy k definovaniu indexu AMO 27, 28, ale hlavné znaky zostávajú takmer totožné s tými, ktoré sa tu identifikovali, bez ohľadu na zvolenú metódu 18, 20, 27 . Obzvlášť tak modelovanie 6, 10, 19, ako aj observačné štúdie 2, 6, 9, 11, pri použití rôznych metodológií na izolovanie iba vnútorného režimu variability, ukazujú priestorové vzorce anomálií SST podobné tým, ktoré sú znázornené na obrázku 2a, a približné načasovanie prechodov medzi fázami AMO nie je citlivé na jeho definíciu 28 .

Image

Kompozitné mapy poľa a) teploty morskej hladiny (SST) a b ) poľa geopotenciálnej výšky 500 hPa (Z500) pre anomálne pozitívne roky AMO (ľavý panel) a negatívne roky (pravý panel). Stredné januárové pole je znázornené v obrysoch a jeho odklon od 72-ročnej klimatológie predstavuje farebné zatienenie. Hrubá sivá obrysová čiara v 0 ° C, zatiaľ čo tenká (prerušovaná) čiara označuje pozitívnu (negatívnu) SST každých 5 ° C. Čierne čiarkované čiary vb sú nakreslené miestnymi maximami poľa geopotenciálnej výšky v každej zemepisnej šírke, čo je bod, v ktorom vietor mení smer z juhozápadného na severozápadný.

Obrázok v plnej veľkosti

V priebehu každého multidecadálneho obdobia charakterizovaného danou fázou indexu AMO vedie krátkodobá variabilita k mesiacom, v ktorých je priemerná anomálie SST spriemerovaná v povodí blízka nule alebo opačného znamienka v porovnaní s dekádou, v ktorej je zabudovaná (obr. 1a). Aby sme odkryli spojenie vzoru atmosférickej anomálie s anomáliami SST, urobili sme zložené obdobia s použitím iba januárových mesiacov s najvyšším indexom AMO. Extrémne mesiace AMO sa vyberajú tak, aby spĺňali kritériá, AMOindex |> 0, 15, čo je takmer jedna štandardná odchýlka za nulou (obr. 1a). Všetky tieto extrémne mesiace spadajú do dlhšieho obdobia, keď má 10-ročný priemerný index AMO primerané znamenie. Týmto spôsobom sa vyberie 17 pozitívnych a 18 negatívnych AMO januárových mesiacov (obr. 1a). Zopakovali sme analýzu pomocou všetkých rokov v zodpovedajúcej fáze AMO a výsledky sme prezentovali v doplnkových materiáloch, kde je zrejmé, že kľúčové výsledky a interpretácia sú v podstate nezmenené, hoci ich štatistická sila je o niečo slabšia.

Atmosférický tok vo veľkom meradle sa mení s indexom AMO (obr. 2b). Rozdiel v poli geopotenciálnej výšky 500 hPa (Z500), ktorý je analogický s prúdením, ukazuje, že smer vetra prichádzajúceho do západnej Európy sa mení medzi dvoma fázami AMO: vietor je počas anomálnych rokov pozitívnych na AMO ešte severnejší, zatiaľ čo počas AMO-negatívnych rokov sú viac zonálne (obr. 2b). Pevnejšie rozmiestnené izohypsy počas AMO-negatívnych rokov naznačujú rýchlejší tok v porovnaní s AMO-pozitívnymi rokmi. Podobne aj AMO-negatívne roky vidia predĺženú a zonálnejšiu januárovú búrku (doplnkový obrázok 1), čo je v súlade s výsledkami voľne fungujúceho klimatického modelu 7 . Kompozitné mapy Z500 skonštruované s úplnejším vzorkovaním dlhších dekadálnych období asociovaných s AMO ukazujú podobné, hoci slabšie, anomálie (doplnkový obrázok 2a).

Lagrangovská perspektíva

Vplyv modulácie veľkého atmosférického toku na teplotu v západnej Európe sa najlepšie hodnotí v Lagrangovskom rámci, kde dynamickú variabilitu atmosféry a variabilitu turbulentnej výmeny vzduchu a mora je možné hodnotiť súčasne pre atmosférické častice. ktoré ovplyvňujú Európu. Preto spúšťame virtuálne lagrangiánske častice z povrchu štyridsaťjeden rovnomerne rozložených miest nad zemou v západnej Európe (obr. 1b) a sledujeme ich späť v čase v čase 10 dní pomocou modelu atmosférickej disperzie FLEXPART 29 (podrobnosti nájdete v časti Metódy)., Desať atmosférických častíc sa uvoľňuje dvakrát denne v januári od roku 1940 do roku 2011 z každého zo štyridsaťjeden miest uvoľnenia. Na obrázku 3a je zobrazený klimatologický dvojrozmerný histogram polôh výsledných lagrangiánskych častíc, na ktorých sú vidieť ich dráhy tiahnuce sa cez severný Atlantik, pričom mnohé z nich siahajú späť k Labradorskému moru a severnej Kanade. Štatistická významnosť týchto výsledkov sa posilní pri rozdelení miest vypustenia častíc na severné a južné podoblasti západnej Európy (podrobnosti pozri na doplnkovom obrázku 3).

Image

a ) Lagrangiánska hustota klimatologického počtu častíc uvedená ako percento všetkých hodinových pozícií, ktoré boli strávené v akejkoľvek mriežke s rozmermi 2 ° × 2 °. b ) klimatologické turbulentné toky (citlivé + latentné; W m −2 ) vypočítané spriemerovaním tokov pozdĺž lagrangiánskych trajektórií. c ) Turbulentné toky ako vb, ale vážené frakciou hodinových pozícií častíc strávených v každej bunke mriežky a normalizované tak, aby mali rovnaký priestorový priemer ako nevážené toky (podrobnosti pozri v metódach; W m –2 ). ( d ) Rozdiel v hustote počtu pre AMO-pozitívny stav mínus AMO-negatívny stav (% hodinových pozícií častíc). e ) Rozdiel v turbulentných tokoch (W m −2 ) pre AMO-pozitívny stav mínus AMO-negatívny stav, vážený a normalizovaný ako v c . V d je uvedená štatistická významnosť pri 10 a 15%, zatiaľ čo v e je úroveň 15% významnosti znázornená šedými obrysmi. Všetky úrovne významnosti sa získali pomocou metódy bootstrapping (podrobnosti pozri v časti Metódy).

Obrázok v plnej veľkosti

Naša predchádzajúca práca ukázala, že turbulentné toky vzduchu a mora na báze atmosférickej planétovej hraničnej vrstvy (PBL) riadia variabilitu potenciálnej zmeny teploty pozdĺž týchto trajektórií častíc v januári takmer úplne: samotné turbulentné toky vysvetľujú viac ako 80% variability v potenciálna zmena teploty pozdĺž 10-denných trajektórií zo západnej Európy 22 . Aj keď toky cez vrchol planétovej hraničnej vrstvy sú dôležité pre uzavretie tepelného rozpočtu vrstvy, nie sú rozhodujúce pre pochopenie nízkofrekvenčnej variability teplotnej tendencie pozdĺž Lagrangovských trajektórií. Preto sledujeme turbulentné toky v atmosfére oceánu a atmosféry pozdĺž trajektórie každej častice interpoláciou týchto tokov z 20CR do hodinovej polohy každej častice, keď je častica v PBL. Turbulentné toky sú funkciou gradientov teploty a vlhkosti na rozhraní vzduch - more a rýchlosti povrchového vetra (podrobnosti nájdete v metódach). Turbulentné toky sa počítajú v 20CR s rýchlosťami vetra produktu a gradientmi teploty a vlhkosti a veľkosť tokov je ovplyvnená koreláciami medzi rýchlosťou vetra a teplotami 22 .

V zime v severnom Atlantiku je SST takmer vždy teplejšia ako teplota povrchového vzduchu (SAT), takže oceán rýchlo stráca teplo do atmosféry v celom povodí (to znamená pozitívne toky v našom dohovore; obr. 3b a Doplnkový obrázok 3b). Toky cez teplý potok v Perzskom zálive a jeho predĺženie v severnom Atlantiku sú spravidla päťkrát vyššie ako inde. Z pohľadu tokov vážených zlomkom času, ktorý častice trávia v každej lokalite na svojej ceste do západnej Európy (obr. 3c a doplnkový obr. 3c), sa však naznačuje znížená úloha týchto regiónov so silným tokom pri stanovovaní západoeurópskej zimnej teploty.,

Rozdiel v hustote počtu pozícií častíc medzi zloženými obdobiami AMO (obr. 3d) ukazuje významné rozlíšenie uprednostňovaných dráh, so štatistickou významnosťou, ktorá sa zvyšuje, keď sú výsledky oddelené časticami vypustenými zo severných a južných podoblastí západnej Európa (doplnkový obr. 3d). V AMO-pozitívnych rokoch strávia častice viac zo svojich 10-dňových trajektórií recirkulujúcich lokálne na juhozápad Islandu. Počas AMO-negatívnych rokov sú chodníky anomálne dlhé a väčší počet trás pochádza zo Severnej Ameriky a Arktídy a potom prechádza cez Labradorské more a severný Atlantik v strednej šírke. Tieto rozdiely v atmosférických trajektóriách sa dajú vysvetliť mechanicky rozdielom v anomáliách Z500 spojených s AMO, ktorý ukazuje rýchlejšie a zonálnejšie vetry počas AMO negatívnych rokov (obr. 2b). Tento vzorec prevažne barotropnej anomálie bol zaznamenaný v mnohých modelových a observačných štúdiách 5, 10, 30, 31 a je trochu podobný vzorcom atmosférickej cirkulácie spojeným so severoatlantickou osciláciou (NAO) 5 . Aby sme preskúmali, či je tento model atmosférickej anomálie spojený s neobvyklými SST podmienkami AMO bez ohľadu na fázu NAO, vykonali sme ďalšiu analýzu s vylúčením silných rokov NAO. Toto vylúčenie zosilňuje iba signál zosilneného toku zón počas negatívnych rokov AMO v porovnaní s pozitívnymi rokmi (porovnaj obr. 3d a doplnkový obr. 4a). Príčina prepojenia medzi AMO a NAO bola predmetom diskusie. Viaceré dokumenty tvrdia, že anomálie SST v severnom Atlantiku spôsobujú atmosperznú odpoveď NAO 32, 33, 34 a iné tvrdia opačne 12, 35 . Bez ohľadu na to, čo riadi tento vzťah, je spojenie medzi atmosférickou cirkuláciou a indexom AMO zrejmé v lagrangiánskych trajektóriách (obr. 3d).

Rozdielna mapa turbulentných tokov pozdĺž týchto lagrangiánskych trás ukazuje na hlavnú príčinu chýbajúceho odtlačku AMO na európskych zimných teplotách. Počas AMO-pozitívnych rokov sú kratšie trajektórie prichádzajúce zo severu a juhozápadu (obr. 3d a doplnkový obr. 3d) sprevádzané vysokými tokmi (obr. 3e a doplnkový obr. 3e). Dlhé a zonálne trajektórie spojené s AMO-negatívnymi rokmi sú však sprevádzané ešte silnejšími turbulentnými tokmi po väčšinu severného Atlantiku v strednej šírke. Preto existujú čiastočne kompenzujúce oblasti so zvýšeným a zníženým tokom počas oboch fáz AMO. Rovnaký model sa zistí, keď sa diferenčné mapy zostavia z kompozitov celých dekadálnych období spojených s AMO, ale s mierne slabšou štatistickou silou (doplnkový obrázok 2b, c).

Časové rady zostavené spriemerovaním pozdĺž Lagrangovských zadných trajektórií (obr. 4) ďalej odhaľujú čistý účinok kombinovaných zmien lagrangiánskych dráh a vlastností pozdĺž nich. Najmä SST odobraté pozdĺž lagrangiánskych trajektórií nemá jasný signál AMO (obr. 4a), pretože dekadálna variabilita atmosférických trajektórií, ktoré prechádzajú priestorovo variabilným poľom SST, zaplavuje časovú variabilitu severoatlantického priemerného SST. SAT je vysoko korelovaný s SST (nezobrazené), pretože turbulentné toky pracujú na tom, aby povrchové hraničné vrstvy atmosféry a oceánu smerovali k rovnováhe. Počas negatívnych rokov AMO od polovice sedemdesiatych rokov do roku 1990 je vzduch nasávaný pozdĺž lagrangiánskych trajektórií viac neobvykle studený ako SST, čo vytvára zosilnené gradienty teploty vzduchu a mora (obr. 4b). V priebehu ďalších AMO negatívnych rokov (obr. 4d), ktoré sa ešte zvýšia silnejšími vetrami (obr. 4c), sa dosiahnu najväčšie turbulentné toky. Uznávame, že na začiatku AMO-negatívneho obdobia okolo roku 1968 boli priemerné hodnoty SST a SAT pozdĺž trajektórií zvýšené a toky boli približne priemerné. Celkovým účinkom je však to, že 10 ročné priemerné turbulentné toky vzorkované pozdĺž lagrangiánskych trajektórií sú slabo antikorelované s indexom AMO ( r = −0, 39, nevýznamné vzhľadom na niekoľko účinných stupňov voľnosti v vyhladených časových radoch; obr. 4d. ). Dospeli sme k záveru, že v zime dynamická modulácia lagrangiánskych ciest a atmosferické vlastnosti, ktoré sú s nimi prenášané, sú v rozpore s vplyvom kolísania SST v mierke povodia na turbulentné toky vzduchu a mora, čím sa skryje vyjadrenie teploty AMO v atmosférických časticiach prichádzajúcich do Európy.,

Image

Priemer 10-ročnej priemernej hodnoty každej lineárne detretovanej premennej pozdĺž skutočných trajektórií (červená) a pozdĺž 10 sád 10 náhodných trajektórií (modrá), spriemerovaných na všetkých 41 miestach uvoľnenia. Priemerný priemerný index AMO pre každý panel je 10-ročný prevádzkový index. a ) SST (° C), b ) SST-SAT (° C), c ) rýchlosť vetra (m s −1 ) a d ) turbulentné toky (W m −2 ).

Obrázok v plnej veľkosti

Aby sme ďalej posúdili mieru, do akej je dynamická modulácia trajektórií zodpovedná za potlačenie potlačenia AMO na tokoch, znovu sme spustili naše Lagrangiánske simulácie s náhodne vybranými, nemennými trajektóriami (podrobnosti nájdete v časti Metódy). Časové rady 10-ročných priemerných podmienok pozdĺž týchto náhodných trajektórií sú na obrázku 4 znázornené modrou farbou. SST (obr. 4a) spriemerované pozdĺž týchto náhodne vybraných trajektórií sa mení vo fáze s indexom AMO a antikorelácia toky s AMO sú eliminované (obr. 4d). Nakoniec potvrdzujeme, že v lete, keď európska teplota odráža variabilitu AMO, sa turbulentné toky menia vo fáze s AMO. V júli je minimálny rozdiel medzi preferovanými cestami podľa fázy AMO (doplnkový obrázok 5). Zdá sa teda, že dominantný podpis AMO-pozitívnej fázy je spôsobený SST vo väčšej mierke povodia, čo umožňuje širokú oblasť zvýšených tokov, čo je v súlade s rozsiahlou analýzou tokov vzduch - more za posledné storočie 23 .

diskusia

Posilnenie a predĺženie búrky spolu s anomálne chladnejšími SST severného Atlantiku má dôležité dôsledky pre budúcu klímu. Vzhľadom na to, že dekadálna variabilita v severoatlantických SST môže byť poháňaná čiastočne kolísaním sily AMOC 10, 11, 12, náš výsledok naznačuje možnosť stabilizácie spätnej väzby pre cirkuláciu oceánov: chladnejšie SST spojené s pomalým AMOC sú spojené s atmosferické nastavenie, ktoré v zime zvyšuje turbulentné toky tepla cez oceánske konvektívne oblasti. Tieto väčšie toky by mohli oživiť prúdenie, tvorbu hlbokej vody a AMOC. Okrem toho pozorovaná súvislosť atmosférickej cirkulácie s chladnými anomáliami SST koncom 70. a začiatku 90. rokov je veľmi podobná predpovedanej zmene búrky v dôsledku poklesu AMOC v dôsledku globálneho otepľovania 36 . Oslabený AMOC sa už dlho považuje za spôsobujúci neobvyklé ochladenie v západnej Európe v dôsledku poklesu prenosu tepla v oceánoch a súvisiacich atmosférických spätných väzieb 21 . Zmeny, ktoré tu popisujeme v atmosférických lagrangiánskych trajektóriách a tepelné toky pozdĺž nich, by však mohli poskytnúť mechanizmus, ktorý znižuje rozsah chladenia v zime v Európe na dekadálnych časových mierkach, a to aj vtedy, keď by mohli stabilizovať obeh oceánov.

metódy

FLEXPART

Prispôsobili sme lagrangiánsky model atmosférickej disperzie FLEXPART verzia 9.02 (ref. 29) na použitie s produktom reanalýzy atmosférickej reanalýzy dvadsiateho storočia (20CR) 24, aby sme simulovali atmosférické častice uvoľňované zo 41 rovnomerne rozmiestnených západoeurópskych lokalít (obr. 1b). Tieto uvoľňovacie body sa vyberajú z rovnomerne rozmiestnenej 2 ° x 2 ° mriežky nad študovanou oblasťou [36N 60N] × [10W 3E], keď tieto body padajú na pevninu. Každý január 1940 až 2011 sa desať častíc uvoľňuje z povrchu každého z týchto bodov dvakrát denne v 0 koordinovanom univerzálnom čase (UTC) a 12 UTC a odohráva sa dozadu v čase počas 10 dní po trojrozmernom vetre. lúka. Toto veterné pole má tri zložky: i) rozlíšený vietor, ii) turbulentné výkyvy vetra a iii) kolísania vetra v mesoscale. FLEXPART predstavuje turbulentné výkyvy vetra pridaním poruchy do poľa rýchlosti pre atmosférické častice v PBL, kde sa tieto náhodné pohyby vypočítajú riešením Langevinových rovníc pre gaussovskú turbulenciu. Mezoscalová rýchlosť, ktorej spektrálny interval spadá medzi rozlíšeným tokom a turbulentným tokom, je zahrnutá do riešenia nezávislej Langevinovej rovnice. Výška PBL sa diagnostikuje v hodinovej polohe každej častice. Trvanie 10 dní pre zadné trajektórie sa zvolilo na základe skutočnosti, že Lagrangovská dekorelačná časová stupnica je 3 dni 22 ; výber 10 dní je teda dostatočne dlhý na to, aby sa pamäť počiatočnej teploty každej častice vymazala účinkom diabatických procesov pozdĺž trajektórie.

20CR je jedným z najdlhších v súčasnosti dostupných produktov na analýzu. Má 6-hodinové časové rozlíšenie a 2 ° × 2 ° priestorové rozlíšenie. Produkt asimiluje iba pozorovania povrchového tlaku, mesačné distribúcie SST a morského ľadu a používame iba priemerné polia súboru. Na vyhodnotenie spoľahlivosti našich výsledkov FLEXPART s použitím 20CR sa porovnali trajektórie vypočítané pomocou 20CR s tými, ktoré mali predvolený vstup pre predikciu FLEXPART, prognózu opätovného analyzovania klimatických prognóz (CFSR) a údaje o analýze z Národných stredísk pre environmentálnu predpoveď 37, ktoré boli má hodinové časové a 0, 5 ° × 0, 5 ° priestorové rozlíšenie na obdobie rokov 1981–2009 za rovnakých podmienok ako Yamamoto et al . 22 Zistili sme, že trajektórie vypočítané pomocou 20CR sú vo všeobecnosti veľmi podobné cestám vypočítaným s CFSR, najmä nad oceánom, pričom častice v 20CR majú o niečo viac severné cesty v porovnaní s CFSR (doplnkový obrázok 6). Poznamenávame, že 20CR asimiluje priemerné údaje SST mesačne, zatiaľ čo CFSR asimiluje SST každých 6 hodín. Zhoda o amplitúde a variabilite turbulentných tokov pozdĺž lagrangiánskych trajektórií skonštruovaných z dvoch produktov reanalýzy (doplnkový obrázok 7) naznačuje, že chýbajúca mesačná variabilita SST v 20CR má minimálny vplyv na tieto toky na medziročné a dlhšie časové škály.,

Bootstrapping

Bootstrapping sa použil na zistenie štatistickej významnosti rozdielu v priestorových obrazcoch lagrangiánskych trajektórií a tokoch pozdĺž trajektórií pre dve fázy AMO (obr. 3d, e). Z náhodne vybraných januárových mesiacov („pseudo-periódy“) sme odoberali trajektórie lagrangiánskych častíc alebo toky pozdĺž nich z toho istého počtu rokov ako každá fáza AMO (17 rokov pre AMO pozitívne a 18 rokov pre AMO negatívne). Potom urobíme rozdiel medzi zloženými pseudo-periódami. Táto operácia sa opakovala 500 krát. Rozdiely v hustote lagrangiánskych častíc a toky pozdĺž nich od skutočných kompozitov AMO považujeme za významné na úrovni 10% (15%), keď tento skutočný rozdiel prekročí 90. (85.) percentil pseudo-periódových rozdielov. Rovnaký postup sme zopakovali aj pri príprave kompozitov s celými obdobiami AMO (40 AMO pozitívnych rokov a 29 AMO negatívnych rokov) a tieto výsledky sme ukázali v doplnkových materiáloch.

Povrchové toky pozdĺž trajektórií

Pozdĺž trajektórií častíc simulovaných pomocou FLEXPART sa povrchové turbulentné toky interpolujú z polí 20CR citlivého tepla (SH) a latentného tepelného toku (LH), kedykoľvek hodinová poloha častice spadne do PBL, za predpokladu, že turbulentné toky ovplyvňujú celý vzduch. hmotnosť v PBL. Turbulentné toky v 20CR sa počítajú pomocou objemových formulácií s typickým zložením 38 :

Image

Image

kde ρ a je atmosférická hustota, c p je kapacita atmosférického tepla, C h a C e sú prevodné koeficienty, U je stredná hodnota rýchlosti vetra vzhľadom na povrchový prúd oceánu, Ts je teplota morskej hladiny, Ta je teplota atmosférického potenciálu v referenčnej výške, L e je latentné teplo odparovania, q s je medzifázová hodnota pomeru zmiešavania vodnej pary a q a je zmiešavací pomer atmosférickej vodnej pary pri referenčnej výške.

Časové rady stredných akumulovaných tokov povrchového tepla pozdĺž trajektórií pomocou 20CR sú vysoko korelované s tými, ktoré používajú CFSR (doplnkový obrázok 7), pričom priemerný korelačný koeficient je r = 0, 92.

Váženie kompozitných tokov

Na zložených obrázkoch vážených povrchových tokov pozdĺž trajektórií (obr. 3c, e) sú hmotnosti úmerné frakcii všetkých pozícií častíc, ktoré prechádzajú cez každú mriežkovú bunku 2 ° × 2 ° (tj. Početnú hustotu, danú ako percento na obr. 3a). Tieto hmotnosti sú upravené tak, aby sa priemerná hodnota klimatologickej mapy (obr. 3c) rovnala priemeru neváženej klimatológie (obr. 3b). Priestorový priemer oboch mapovaných polí použitých v tomto meraní zahŕňa iba tie rastrové bunky, ktoré navštívilo najmenej 0, 01% klimatologických pozícií častíc; tieto súhrnne obsahujú 90, 1% všetkých hodinových pozícií častíc.

Náhodne vybrané trajektórie

Neobvyklé dráhy dráh častíc použité na výrobu obr. 4 (modré čiary) boli vybrané náhodným výberom desiatich častíc zo súboru všetkých možných dráh generovaných úplnou 72-ročnou Lagrangiánskou simuláciou. Skutočne sa meniace povrchové toky sú interpolované pozdĺž týchto náhodných trajektórií. Tento proces potom opakujeme desaťkrát, zakaždým výberom inej náhodnej sady desiatich trajektórií z každého bodu uvoľnenia, čím sa vytvorí šírenie pozícií častíc. Celkovo sa pre každé miesto uvoľnenia vyberie 100 častíc (10 častíc x 10 realizácií).

Doplnková informácia

Súbory PDF

  1. 1.

    Doplnková informácia

    Dodatočné obrázky 1-7 a doplnkové odkazy.

Komentáre

Odoslaním komentára súhlasíte s tým, že budete dodržiavať naše zmluvné podmienky a pokyny pre komunitu. Ak zistíte, že je niečo urážlivé alebo nie je v súlade s našimi podmienkami alebo pokynmi, označte ho ako nevhodné.