ON THE ROLE OF ATMOSPHERIC
CIRCULATION IN TOTAL OZONE IN
ANTARCTICA
РОЛЬ АТМОСФЕРНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ В
РАСПРЕДЕЛЕНИИ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ
ОЗОНА В ЮЖНОМ ПОЛУШАРИИ
V. Tymofeyev
Ukrainian Hydrometeorological research institute
Contents
• Short history of research
• Role of the Atmospheric Circulation in Total Ozone:
• The intensity of the CPV: influence of the internal and external
climate-forming factors,
•
Classification of atmospheric circulation within CPV by classes of
probabilities:
• Coupling of atmospheric motions at different troposphericstratospheric levels, and coupling with the Total Ozone fields
•
Case studies
Short history of research
•
•
•
•
IGY 1957-1959: seasonal variability of the total Ozone is revealed at Halley
base, with vernal minimum (September-October = This is typical for Austral
extratropics!) and sharp growth in November during stratospheric warming
(300 - 400 D.U.). Applied Optics, 7, 1968,
Farman, 1977: Weak negative trend is shown at Halley base (-2,8 ±2,5 D.U.) and
Argentine Islands, -3,5%±2,5 D.U. in 1958-1972 (% from 16-years mean).
Coupling with CPV dynamics is described.
(Nature, 1986, Farman, 1987): Term “Ozone Hole” is introduced, dynamics and
ozone photochemistry is explained. =
WMO Report (1986): No significant trend is found in TOA 1970-83,
WMO Report, 1990: statistically significant trend in TOA in the spring-winter
seasons firstly stated, -2,3% to -6,2% during 1969-86 in Northern extratropics.
Southern Hemisphere: Trend is amounted about -4% per decade during 1970-96
Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer signed (1987).
•
Global TOA has reached its minimum in early 1990s.
•
1990s: a lot papers about role of photochemistry in ozone depletion over
Antarctica
•
2000s: “ComeBack”to dynamics as a main background for the ozone depletion
Role of the Atmospheric Circulation
•
•
•
•
•
Динамика средней и верхней стратосферы посредством ЦПВ определяет размер
озоновой дыры и ее продолжительность. Перенос тепла в ЦПВ зависит от типа
циркуляции, формируя температуру внутри вихря.
В годы с большей меридиональностью формируется положительная аномалия
температуры в ЦПВ, что подавляет развитие полярных стратосферных облаков.
Формируются стратосферные потепления. Продолжительность зимнего ЦПВ меньше,
чем в условиях зональности.
Выраженная зональность приводит к понижению температуры в ЦПВ и развитию
полярных стратосферных облаков с большим разрушением озона.
Роль квази-двух-летних колебаний…
(Гайгеров…, 1987: Атмосферная циркуляция обулсовливает как минимум 20%
снижения ОСО в южном полушарии.
•Positive - QBO driven anomalies in the tropics - are
negatively correlated with those
in the SH mid latitudes.
Forecasts…
Прогнозы
http://www.cpc.noaa.gov/products/stratosphere/winter_bulletins/sh_08/
Antarctic stratosphere: the apparent trend towards a later breakup of the
vortex in years since 1990, relative to the 1980s. The size and duration and
size of the 2008 Ozone Hole is attributed in part to meteorological
conditions. A full explanation of such meteorological anomalies is not yet
available.
In the next two decades, the Antarctic Ozone Hole is not expected to
improve significantly (WMO, 2007).
The Antarctic Ozone Hole is expected to continue for decades. Antarctic
ozone abundances are projected to return to pre-1980 levels around 20602075, roughly 10-25 years later than estimated in the 2002 Assessment
(chemicals already in the atmosphere are expected to continue to impact
the atmospheric ozone amounts for many decades to come)
Circumpolar vortex intensity: Assessment of
Dynamics and Air Temperature Field
Synoptic Meteorology: Circumpolar vortex (CPV) Intensity, Thermal vortex
is assessed via Laplasian of Geopotential or Air Temperature
(4-point scheme). Δ2H = H1+H2+H3+H4-4H0
In this research: 12-points’ scheme is used (step 30° longitude).
Indexes of westerlies are also assesed along these longitudes.
.
В синоптической метеорологии:
Величина вихря скорости рассчитывается:
Где Ω- величина вихря,
g=9.87 м/с2 - ускорение свободного падения,
Q
10 g 2
 y
l
Circumpolar vortex intensity: Air Temperature field (internal)
and Earth rotation (external climate-making factor)
Величина ЦПВ, Лаплас. Т, (октябрь) и угловой
вращения (сент_скольз.среднее 3 мес.)
190
180
170
160
150
140
130
120
110
100
1950
1960
1970
1980
1990
2000
Наиболее интенсивный термический вихрь – 1960е
гг.
Появление “озоновой дыры” происходило на
фоне роста термического вихря и усиления
вращения земли
The same for November
November 1957-2002
180
6
160
5
140
4
120
3
100
2
80
1
60
0
40
-1
20
-2
0
-3
1957
1967
1977
1987
Vortex
CPV
Angular
MomentSept_run
nign3months
1997
Полино
миальн
ый
(Angular
MomentSept_run
nign3Полино
миальн
ый
(Vortex
CPV)
Тренды завихренности ЦПВ, янв.-декабрь, 1957-1982 и
1983-2002
2
1.5
Тренды завихренности и мин. Н в центре ЦПВ, янв.-декабрь,
1957(8)-2001(2)
1
0.5
Vortex_57-82
Vortex_83-02
0
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
-0.5
Vortex
1
CPV-PoleMinimum
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
-1
Лин.тренды индексов по створам, ат-100 гПа, октябрь
Лин.тренды индексов по створам, ат-100 гПа, сентябрь
0.4
0.2
0.3
0.15
0.1
0.2
0.05
0.1
1957-2001
1957-83
0
-0.1
-0.2
-0.3
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
Вся
зона
0
-0.05
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
Вся
-0.1
Лин.Тренды_58-2001
-0.15
Лин.Тренды_58-1983
-0.2
-0.25
Air temperature at upper levels: Decadal anomalies,
100 hPa
“Диполь”между западным
и восточным секторами
Среднее месячное ОСО:
Данные, карты: Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) data, from the pre-1980 level
estimated using Dobson data.
http://exp-studies.tor.ec.gc.ca/e/ozone/normalozone.htm#sh
Classification of atmospheric circulation by ranges of
probability: application to upper levels
(Circumpolar vortex)
General method for calculation of etalon fields: geometrical similarity,
accounting for the sign of anomaly, by Prof. V.М. Маrtazinova) :

n  n
K
n+ - No. of coincides in the sign of anomaly,
n_ - No. of non- coincides in the sign of anomaly, К – number of fields (days).
Zonal and meridional components (N.I.Zverev, 1977):   n  n _
n   n _
• ρφ≥0,30 и ρλ≥0,80, and ρ= ρφ+ ρλ ≥ 1,0 – for simialr fields,
• First, zonal criterion was used: ρφ≥0,30 – useful characteristics of
the position of the CPV center and its anomaly (deviation from the
Pole).
What we expect from classification?
Detailed picture of the field is expected, as
Mean upper fields give strongly zonal contours
1981-1990
Fields of the most probable class:
100 hPa level, September
1991-2000
Displacement of CPV to the
East sector
(the same in Total ozone fields)
2001-2010
Fields of the most probable class:
100 hPa level, October
1981-1990
2001-2010
2001-2010:
Field of the 2nd class of probability
1991-2000
Fields of the most probable class:
100 hPa level, November
2001-2010:
Displacement of CPV to the
East sector
(several centres in CPV is noted)
2001-2010:
Field of the 2nd class of probability
One of the centers over the Antarctic Peninsula
Deviation of Total Ozone (%) – asymmetry
dominates in 2000-2010
Maps of deviations using Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) data for the
Antarctic from the pre-1980 level estimated using Dobson data over the Antarctic
Periodicity in the atmospheric circulation
at 100 hPa level: basis for predictions
(File: September…Shift-60days)
Ро
Подобие поля наиболее вероятного класса сентября 1991 г.
с 60 последующими днями
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
1
6
11
16
21
26
31
36
41
46 51
56
Zonal Ro
Подобие полей наиб.вероятн.класса сентября 1991 г. +60
дни
дней Meridional Ro
1
0.8
Ро
Similarity of the most
probable field with other 60
days, zonal and meridianal
criteria
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
1
6
11
16
21
26
31
дни
36
41
46
Zonal Ro
51
56
Meridional Ro
Periodicity in the atmospheric circulation
at 100 hPa level: move of planetary waves
Coupling of motions at different levels:
100 and 500 hPa
Аналогичнось полей 500 и 1000 гПа без/и со смещением 5
град., сентярь 1981 г.
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
Ro
0.3
Ro+5град.
0.2
Ro+10град.
0.1
Ro+15град.
0
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
Greatest degree of similarity is reached with 10° shift by longitude
(about 1000 km), 500 hPa relatively 100 hPa-level fields
Coupling of motions at geopotential levels
and total ozone:
толщина слоя 100-500 гПа, связи между полями АТ-100
и ОСО (в широтной зоне 50-80 ю.ш.?)
Ro_100-Ozone, and Total Ozone, September 1982
0.8
6.70E-03
0.7
6.65E-03
0.6
6.60E-03
0.5
6.55E-03
0.4
6.50E-03
0.3
Ro_100hPa-Ozone-82
6.45E-03
0.2
TotalOzone
6.40E-03
shift 4 days
6.35E-03
0.1
0
1
4
7
10
13
16
19
22
25
28
Case study: atmospheric circulation in 2002 and Total
Ozone: 1.Maximum: Ozone-rich air in the Pacific ridge – can be seen
at all levels
100 hPa
500 hPa
1000 h
Vernadsky daily ozone
Case study: 2002, minimum in TOA:
explained by deep depression passing Antarctic Peninsula
(ozone-poor air). Depression is seen at all levels
500 hPa
100 hPa
1000 hPa
Conclusions
•
•
Озоновая дыра - сформировалась на фоне усиления зональной циркуляции,
достигла максимума 1 к середине 1990х гг., стабилизация с конца 1990х, на
фоне роста абсолютной завихренности (углового момента вращения) и
усиления температурного вихря.
Меньшая межгодовая изменчивость интенсивности ЦПВ, чем в 1950-60х гг.
(сравнение с приземными данными – температура, давление)
Подобие поля темпреатуры 1950-60х гг. современному:
•
Возможная роль Эль-Ниньо - преобладание теплой фазы в 1980-2000 гг. (усиление
•
Отличие поля температуры 2001-2010 гг.: диполь: Тепло в Западном секторе –
Холод в Восточном) – повлекло за собой смещение ЦПВ в восточный сектор.
Подтверждается результатами типизации, полями наиболее вероятного класса
АТ-100 гПа.
•
ячеек вертикальной циркуляции)
• Значительная связь тропосферно-стратосферной циркуляции, в
том числе во время озоновой дыры. Запаздываание поля ОСО
от поля геопотенциала (3 дня?).