Beter begrip van de veranderende Brewer-Dobson-circulatie

De Brewer-Dobson-circulatie (BDC) in de stratosfeer bestaat uit een opwaartse stroming in de tropen, gevolgd door een poolwaartse en neerwaartse stroming op hogere breedtegraden. De BDC bepaalt de verdeling van chemische tracers in de stratosfeer, zoals bijvoorbeeld ozon en waterdamp. Veranderingen in het patroon van de BDC hebben een aanzienlijk effect op de verdeling van deze tracers en vormen momenteel een uitdagend onderzoeksdomein. We evalueren veranderingen in de BDC in het afgelopen decennium, gebruik makende van satelliet- en grondobservaties en model-simulaties van de langlevende tracer distikstofoxide (N2O).

N2O als tracer voor atmosferisch transport

We kiezen distikstofoxide (N2O) om veranderingen in de Brewer-Dobson-circulatie (BDC) te evalueren omdat de concentraties van dit gas lineair toenemen in de troposfeer en getransporteerd worden naar de stratosfeer waar de levensduur van deze stof geschat wordt op 120 jaar.

Dit maakt N2O een uitstekende tracer voor studies rond atmosferisch transport: elke afwijking van de lineaire toename kan namelijk toegeschreven worden aan veranderingen in transport.

We bestuderen langetermijntrends van N2O (2005-2018), gemeten door Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrometers vanop de grond en door de Atmospheric Chemistry Experiment Fourier-Transform Spectrometer (ACE-FTS) vanuit de ruimte. We vergelijkingen deze metingen met simulaties van het Belgian Assimilation System for Chemical ObsErvations (BASCOE) model, aangedreven door vier dynamische reanalyses, en met simulaties van het Whole Atmosphere Community-Climate Model (WACCM).

N2O trends op de grond

De FTIR-grondstations bevinden zich in Lauder, Nieuw-Zeeland (45°Z) en Jungfraujoch, Zwitserland (46°N). We nemen het gemiddelde van de N2O trends tussen 12 en 40 km hoogte, vanwege de lage resolutie van de instrumenten.

Voor de FTIR en ACE-FTS metingen zijn de N2O trends groter in Lauder dan in Jungfraujoch, m.a.w. er bestaat een hemisferische asymmetrie in de N2O trends. Het BASCOE-model, aangedreven door de reanalyses van het European Center for Medium Range Weather Forecast (ECMWF) slagen erin deze asymmetrie te reproduceren, maar de WACCM-simulaties tonen geen beduidende verschillen tussen beide hemisferen.

Globale N2O trends

De wereldwijde ACE-FTS metingen bevestigen de hemisferische asymmetrie in de N2O trends: positieve trends in de zuidelijke hemisfeer en negatieve in de noordelijke hemisfeer in de lage tot middelhoge atmosfeer. De BASCOE-simulaties reproduceren consequent dit patroon, voornamelijk met de ECMWF reanalyses. Gevoeligheidstests met het BASCOE-model bevestigen de prominente rol van de veranderingen in transport bij het creëren van een dergelijke asymmetrie. De WACCM-simulaties tonen een zwakkere asymmetrie, maar de nieuwe versie van WACCM presteert beter dan de vorige versie in de zuidelijke hemisfeer.

Deze studie toont het volgende aan:

  • N2O is een bruikbare tracer is om veranderingen in de Brewer-Dobson-circulatie te bestuderen
  • De lage resolutie van de N2O FTIR-metingen beperkt de analyse van N2O-trends in de stratosfeer.

  • Satellietwaarnemingen en de BASCOE-simulaties wijzen op een hemisferische asymmetrie in de N2O trends die kan toegeschreven worden aan veranderingen in transport.

  • De verbeteringen in WACCM onderstrepen dat de volgende generatie simulaties het potentieel hebben om de kwaliteit van de reanalyses te evenaren.

Referentie:

Minganti D., Chabrillat S., Errera Q., Prignon M., Kinnison D. E., Garcia, R. R., et al. (2022). Evaluation of the N2O rate of change to understand the stratospheric Brewer-Dobson circulation in a Chemistry-Climate Model. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 127, e2021JD036390, https://doi.org/10.1029/2021JD036390

Grafiek stratosferische N2O-kolommen
Waarschijnlijkheid van positieve N2O-veranderingen van de stratosferische N2O-kolommen (12-40km) voor de stations in Lauder (links) en Jungfraujoch (rechts). De kleurcode wordt getoond in de legende.
Breedtegraad-druk doorsneden van N2O-trends
Breedtegraad-druk doorsneden van N2O-trends (pptv/jaar) voor 2005-2018. N2O gesimuleerd door de modellen en geïnterpoleerd op de locaties en tijdstippen van de observaties. De zwarte kruisen duiden roosterpunten aan waar de probabiliteit van positieve/negatieve veranderingen kleiner is dan 95%.