Advective transport between atmospheric layers

• Název práce v češtině: Advektivní transport mezi atmosférickými vrstvami
• Název v anglickém jazyce: Advective transport between atmospheric layers
• Klíčová slova: Residuálně průměrovaná cirkulace|tropopauza|stratopauza|střední atmosféra|Brewerova-Dobsonova cirkulace
• Klíčová slova anglicky: Residual mean circulation|tropopause|stratopause|middle atmosphere|Brewer-Dobson circulation
• Akademický rok vypsání: 2021/2022
• Typ práce: diplomová práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra fyziky atmosféry (32-KFA)
• Vedoucí / školitel: RNDr. Petr Šácha, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 23.11.2021
• Datum zadání: 24.11.2021
• Datum potvrzení stud. oddělením: 21.04.2023
• Datum a čas obhajoby: 11.09.2023 08:30
• Datum odevzdání elektronické podoby: 19.07.2023
• Datum odevzdání tištěné podoby: 19.07.2023
• Datum proběhlé obhajoby: 11.09.2023
• Oponenti: Dr. Khalil Karami
• Konzultanti: Roland Eichinger, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Řešitel nastuduje odbornou literaturu o Brewerově-Dobsonově cirkulaci (BDC), její reprezentaci v modelech a možnostech validace z pozorování. Bude mít k dispozici data z CCMI simulací a připraví si přístup k simulacím z CMIP 6 aktivity.
Pro simulace, kde není dostupná residuálně průměrovaná cirkulace, bude vypočtená z hodinových dat a pro všechna data residuální cirkulace mezi modely bude provedena kontrola konzistence použitých formulací.
Souběžně se bude věnovat teoretickým studiím a odvození metody pro rozklad celkového transportu mezi vrstvami na jednotlivé kinematické mechanismy změny na základě rozkladu materiálové derivace.
Následně bude vytvářet a aplikovat algoritmy na celý soubor dostupných modelů.
Úkolem práce pak bude popsat, jak se mění transport vzduchu přes tropopauzu (mezi troposférou a stratosférou) a stratopauzu (mezi stratosférou a mezosférou) v závislosti na měnícím se složení atmosféry a jaké jsou dominantní mechanismy této změny.

Seznam odborné literatury

Abalos, M., Calvo, N., Benito-Barca, S., Garny, H., Hardiman, S. C., Lin, P., Andrews, M. B., Butchart, N., Garcia, R., Orbe, C., Saint-Martin, D., Watanabe, S., and Yoshida, K.: The Brewer–Dobson circulation in CMIP6, Atmos. Chem. Phys., 21, 13571–13591, https://doi.org/10.5194/acp-21-13571-2021, 2021.

Andrews, D., Holton, J., and Leovy, C.: Middle Atmosphere Dynamics, Acad. Press, San Diego, 1987. 

Butchart, N.: The Brewer-Dobson circulation, Rev. Geophys., 52, 157–184, https://doi.org/10.1002/2013RG000448, 2014. 

Eichinger R and Sacha P 2020 Overestimated acceleration of the advective Brewer-Dobson circulation due to stratospheric cooling Q. J. R. Meteorolog. Soc. 146 3850–64

Karlsson, B., Körnich, H., and Gumbel, J. (2007), Evidence for interhemispheric stratosphere-mesosphere coupling derived from noctilucent cloud properties, Geophys. Res. Lett., 34, L16806, doi:10.1029/2007GL030282.

Lin, P. and Fu, Q.: Changes in various branches of the Brewer-Dobson circulation from an ensemble of chemistry climate models, J. Geophys. Res., 118, 73–84, https://doi.org/10.1029/2012JD018813, 2013. 

Morgenstern, O., Hegglin, M. I., Rozanov, E., O'Connor, F. M., Abraham, N. L., Akiyoshi, H., Archibald, A. T., Bekki, S., Butchart, N., Chipperfield, M. P., Deushi, M., Dhomse, S. S., Garcia, R. R., Hardiman, S. C., Horowitz, L. W., Jöckel, P., Josse, B., Kinnison, D., Lin, M., Mancini, E., Manyin, M. E., Marchand, M., Marécal, V., Michou, M., Oman, L. D., Pitari, G., Plummer, D. A., Revell, L. E., Saint-Martin, D., Schofield, R., Stenke, A., Stone, K., Sudo, K., Tanaka, T. Y., Tilmes, S., Yamashita, Y., Yoshida, K., and Zeng, G.: Review of the global models used within phase 1 of the Chemistry–Climate Model Initiative (CCMI), Geosci. Model Dev., 10, 639–671, https://doi.org/10.5194/gmd-10-639-2017, 2017. 

Oberländer-Hayn, S., Gerber, E. P., Abalichin, J., Akiyoshi, H., Kerschbaumer, A., Kubin, A., Kunze, M., Langematz, U., Meul, S., Michou, M., Morgenstern, O., and Oman, L. D.: Is the Brewer-Dobson circulation increasing or moving upward?, Geophys. Res. Lett., 43, 1772–1779, https://doi.org/10.1002/2015GL067545, 2016. 

Santer B D et al 2003 Contributions of anthropogenic and natural forcing to recent tropopause height changes Science 301 479–83

Petr Pisoft et al 2021 Environ. Res. Lett. 16 064038

Smith, A. K., Pedatella, N. M., & Mullen, Z. K. (2020). Interhemispheric Coupling Mechanisms in the Middle Atmosphere of WACCM6, Journal of the Atmospheric Sciences, 77(3), 1101-1118.

Staten, P. W., Grise, K. M., Davis, S. M., Karnauskas, K. B., Waugh, D. W., Maycock, A. C., Fu, Q., Cook, K., Adam, O., Simpson, I. R., Allen, R. J., Rosenlof, K., Chen, G., Ummenhofer, C. C., Quan, X., Kossin, J. P., Davis, N. A., & Son, S. (2020). Tropical Widening: From Global Variations to Regional Impacts, Bulletin of the American Meteorological Society, 101(6), E897-E904.

Šácha, P., Eichinger, R., Garny, H., Pišoft, P., Dietmüller, S., de la Torre, L., Plummer, D. A., Jöckel, P., Morgenstern, O., Zeng, G., Butchart, N., and Añel, J. A.: Extratropical age of air trends and causative factors in climate projection simulations, Atmos. Chem. Phys., 19, 7627–7647, https://doi.org/10.5194/acp-19-7627-2019, 2019.

Předběžná náplň práce

Dlouhodobé změny ve střední atmosféře jsou jedním z nejrobustnějších znaků klimatické změny projektované klimatickými modely. Dominantním znakem je zrychlování meridionální Lagrangeovské cirkulace – Brewerovy-Dobsonovy cirkulace (BDC), která ovlivňuje transport a tím pádem složení vzduchu a radiační a chemické procesy od troposféry po ionosféru. Problémem však je, že příčiny projektovaných změn tohoto veledůležitého fenoménu nejsou zatím dobře pochopené, liší se mezi modely a hlavně se smysl těchto změn liší od pozorování .
Zatímco troposféra se celkově ohřívá a expanduje, střední atmosféra v důsledku radiačního ochlazování od rostoucích koncentrací skleníkových plynů chladne a radiačně se smršťuje a tento jev se překládá přes změny rychlosti BDC a ovlivňuje její trendy.
Nicméně, s měnícím se klimatem se mění i horizontální rozsah oblastí se vzestupnými a sestupnými pohyby a tvar materiálových ploch, přes které je transport hmoty posuzován (tropopauza, stratopauza).
Vliv těchto faktorů zatím nebyl kvantifikován a vnáší nejistotu do předchozích studií, které na něj nebrali ohled.
Samotná BDC je konceptuálně dělena na mělkou, přechodnou a hlubokou větev, kdy mělká větev je zodpovědná za transport vzduchu mezi troposférou a stratosférou a v rámci dolních partií stratosféry a hluboká větev zprostředkovává výměnu vzduchu mezi stratosférou a mezosférou a navíc i unikátní mezihemisférickou výměnu vzduchu ve střední atmosféře. Většina vědecké pozornosti v uplynulých dekádách se soustředila na mělkou větev BDC, ovšem díky pokrokům v pozorování a zejména modelům plně rozlišujícím střední atmosféru začíná být možné i podobně systematické studium horní větve.
V rámci diplomové práce bude vyvinuta unikátní analytická metodologie rozlišení jednotlivých příspěvků ke zrychlování BDC založená na materiálové derivaci toku hmotnosti přes tropopauzu a stratopauzu (materiálové křivky s proměnlivým tvarem a vertikální souřadnicí), která pomůže lépe pochopit přetrvávající nejistoty ohledně modelových projekcí změn mělké BDC větve. Aplikací této metodologie na transport přes stratopauzu práce poskytne základ systematickému studiu hluboké BDC větve a výměny vzduchu mezi stratosférou a mezosférou.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Climate model simulations robustly show that the advective part of the Brewer-Dobson circulation (BDC) accelerates in connection to the greenhouse gas induced climate change and this acceleration dominates the middle atmospheric changes in climate model projections.
The BDC is responsible for the mean meridional mass transport in the middle atmosphere, influencing the atmospheric composition from the troposphere to the ionosphere.
A prominent quantity that is being studied as a proxy for advective BDC changes is the net tropical upwellling at the tropopause level, which measures the amount of mass advected by residual circulation from the troposphere to the stratosphere per unit of time. However, in recent years it was increasingly acknowledged that part of this acceleration is at least partly attributable to changes in the vertical level of the tropopause. There is robust observational evidence that the troposphere is warming and the stratosphere is cooling in response to the radiative forcing of anthropogenic greenhouse gas (GHG) emissions.
Following from simple thermodynamical arguments, vertical changes in the atmosphere are inevitable and are being both robustly observed and simulated by the models - the troposphere expands and the stratosphere contracts and these changes in vertical structure are overlapping with the changes in the circulation strength.
Moreover, the width of the upwelling and downwelling regions and also the shape of material boundary contours (the tropopause and the stratopause) are changing.
The influence of those factors has not yet been quantified in the literature.
The BDC consists of two separate branches – a shallow branch in the lower stratosphere and a deep branch higher in the middle atmosphere.
The upper BDC branch received considerably less research attention than its shallow part, but features some striking phenomenon in the terrestrial atmosphere.
It couples the stratosphere and mesosphere and is also responsible for a large portion of interhemispheric transport and coupling in the middle atmosphere.
The raising air within the upper BDC branch at the summer pole adiabatically cools the mesosphere in the summer pole giving rise to extremely cold temperatures allowing noctilucent or polar mesospheric clouds to be formed, while downwelling at the winter pole adiabatically heats the middle atmosphere therein.
The upper BDC branch has been projected to accelerate, however, no effort has been made so far to account for effect of the atmospheric structure changes on the trend.
Aiming to fill this gap in this thesis, an analytical methodology for partitioning between individual mechanisms responsible for BDC acceleration based on the formula for material derivative will be developed.
Application of this methodology to the ensemble of global climate models will help to narrow down the uncertainty in what is driving the changes of the shallow BDC branch.
Further, studying the cross-stratopause transport, the thesis will give a basis for systematic research of the upper BDC branch and the stratosphere-mesosphere exchange.