Sensitivity of atmospheric moisture transport into the Arctic to sea surface temperature changes over the North Atlantic region
Arktik bölgesine atmosferik nem taşınımının Kuzey Atlantik bölgesindeki deniz yüzey sıcaklık değişimlerine duyarlılığı
- Tez No: 713205
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BARIŞ ÖNOL, DOÇ. DR. VICTORIA SINCLAIR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Meteoroloji, Meteorology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 127
Özet
Su buharı, hava olaylarının ve aynı zamanda iklim sistemlerinin oluşumunda gerekli enerjiyi sağlayan atmosferin en önemli bileşenlerinden biridir. Ayrıca, okyanus–atmosfer sisteminde bulut oluşumu, radyasyon ve enerji değişimi süreçlerine katılımından dolayı önemli bir iz gazı ve sera gazıdır. Arktik bölgesinde yüzey enerji dengesini etkileyerek Arktik Okyanusu'ndaki tatlı su miktarını, buz ve kar örtüsünü etkilemektedir. Buharlaşma miktarı genellikle kar ve buzla kaplı alanlar üzerinde az miktarda olduğundan, yukarı ve aşağı enlemlerdeki sıcaklık farkından dolayı oluşan kuzey yönlü taşınım, Arktik bölgesinin nem bütçesinde önemli bir rol oynamaktadır. Atmosferik nemin taşınımında bir diğer etken ise okyanusun ısı içeriğini kontrol eden ve iklimi düzenlemede de önemli bir etkiye sahip olan deniz yüzey sıcaklıklarıdır. Atlantik Boylamsal Devrilme Dolaşımı, Atlantik Okyanusu'nda sıcaklık ve tuzluluk farkı sonucu oluşan, sıcak ve tuzlu suyu tropik bölgelerden Kuzey Atlantik'e taşıyan büyük bir okyanus akıntıları sistemidir. İklim değişkenliğinin yanı sıra ısının yeniden dağıtılması için önemli bir sistemdir. Sıcak ve tuzlu su Florida akıntısından çıkar ve Kuzey Atlantik'teki Körfez Akıntısı üzerinden Atlantik Okyanusu boyunca Kuzey Atlantik'in kuzeydoğusuna vararak kuzey denizlerine akar. Sıcak su taşınırken atmosfere ısı kaybeder ve kuzeye doğru ilerledikçe daha yoğun hale gelir. Yukarı enlemlerde, daha soğuk ve yoğun olan su batar ve güneye döner. Özet olarak, Kuzey Atlantik Boylamsal Devrilme Dolaşımı, yüzeye yakın ılık suyun kuzeye doğru akışı ve güneye doğru derin soğuk su akışı olarak tanımlanır. Kuzey Atlantik bölgesindeki deniz yüzey sıcaklıklarının kısa sürede çok fazla değişim gösterdiği gibi, orta enlem bölgelerindeki kuvvetli deniz yüzey sıcaklığı değişkenliklerinin okyanus-atmosfer etkileşimleri üzerinde önemli bir etkisi olabileceği yapılan önceki çalışmalarda belirtilmiştir. Aşırı nem taşınım olayları ile ilişkilendirilen Arktik bölgesi deniz-buz yoğunluğu, yüzey hava sıcaklığı ve yüzey enerji akışı ile bu taşınımın hangi hava olayları tarafından etkilendiği belirlenmesi amacıyla birçok çalışma yapılmıştır. Sonuç olarak yapılan çalışmalarda, aşırı nem taşınımının, Arktik yüzey hava sıcaklığının değişiminin yanı sıra deniz buzunun azalması ile de yüksek oranda ilişkili olduğu gösterilmiştir. Dahası, Arktik bölgesindeki yatay nem taşınımının bölgesel ve mevsimsel eğilimlerini incelenerek boylamsal nem taşınımında artış olduğu gösterilmiştir. Ayrıca, okyanus dolaşımındaki değişikliklerin deniz yüzey sıcaklıklarında değişikliklere neden olduğunu, dolayısıyla atmosferik dolaşımların ve gelecekte Kuzey Atlantik jet akışının ve aynı zamanda fırtına yolunun ciddi şekilde etkilenebileceğini belirtilmiştir. Bu çalışmanın amacı, Kuzey Atlantik bölgesindeki deniz yüzey sıcaklık değişimlerinin Arktik bölgesine nem taşınımına olan etkilerini araştırmaktır. Çalışma iki bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde, modelleme çalışmalarına rehberlik etmesi amacıyla 1979-2019 yıllarını kapsayan ERA5 verileri analiz edilmiş ve Kuzey Atlantik bölgesindeki klimatolojik özellikler ve anomaliler incelenmiştir. Yapılan analizde, deniz yüzey sıcaklığı, ortalama deniz seviyesi basıncı, boylamsal nem akısı ve yüzey buharlaşması verilerinin 1979-2019 yıllarını kapsayan aylık ortalamaları kullanılmıştır. ERA5 veri analizi sonucunda, uzun yıllar ortalamalara kıyasla son 10 yılda Arktik'e olan nem taşınımı eğiliminde kayda değer bir artış olduğu görülmüştür. Son 10 yıldaki nem taşınımı karşılaştırılması yapılmıştır. Ayrıca, bazı yılları için deniz yüzey sıcaklık, boylamsal nem akısı ve buharlaşma değerlerinin anomalileri karşılaştırılmıştır. Yapılan analizde 2016'da üç dikkate değer anomali mevcut olmuştur: Ağustos'tan Ekim'e kadar Kuzey Atlantik bölgesinde kuvvetli negatif deniz yüzey sıcaklığı anomalileri, Eylül ve Ekim aylarında kuzeydoğu Kuzey Atlantik üzerinden Arktik'e doğru kuvvetli pozitif boylamsal nem askısı anomalisi ve son olarak da kuvvetli pozitif nem akısının bulunduğu Arktik bölgesi üzerinde negatif yüzey buharlaşması yani yoğunlaşma. Aynı zamanda, ERA5'te, Kuzey Atlantik bölgesindeki negatif deniz yüzey sıcaklığı anomalilerinin bulunduğu bölge, Eylül ve Ekim aylarında, Grönland ve İskandinavya üzerinde boylamsal nem akısı ile korelasyon gösterme eğilimindedir. Elde edilen bu bilgiler doğrultusunda, Ağustos-Ekim 2016'yı kapsayan dönemin model ile incelenmesine karar verilmiştir ve çalışmanın ikinci bölümünde OpenIFS modeli ile Kuzey Atlantik bölgesinde farklı deniz yüzey sıcaklarına sahip simülasyonlar yapılmıştır. Bu üç simülasyon, ECMWF tarafından sağlanan gözlenen deniz yüzey sıcaklıklarını, ERA5 klimatolojik deniz yüzey sıcaklıklarını ve ERA5 klimatolojisine göre anomalileri iki katına arttırılmış deniz yüzey sıcaklıklarını içermektedir. Ayrıca, yapılan her bir simülasyon, bir kontrol üyesi ve 10 topluluk üyesini içermektedir. Topluluk tahmin simülasyonları için stokastik fizik yöntemi kullanılmıştır. Özet olarak, çalışmada Kuzey Atlantik bölgesindeki deniz yüzey sıcaklıklarının anomalilerinin kaldırıldığı ve arttırıldığı durumda Arktik bölgesine olan nem akışının nasıl etkilendiği ele alınmıştır. Modelleme çalışmaları sonucunda, üç aylık Ağustos-Ekim 2016 tarihlerini kapsayan üç farklı simülasyon çıktısı elde edilmiştir. Model sonuçlarında, ortalama deniz seviyesi basıncı, 500 hPa jeopotansiyel yükseklik ve jeti, yağışa geçebilir su miktarı, yüzey buharlaşması ve boylamsal nem akısı çıktıları aylık ortalamalara dayanarak hem kontrol tahminleri hem de topluluk üyeleri çıktılar karşılaştırılmıştır. OpenIFS duyarlılık deneylerinde, deniz yüzey sıcaklığı değişikliklerine en duyarlı parametreler ortalama deniz seviyesi basıncı ve jeopotansiyel yükseklik olmuştur, böylece yüzey ve yukarı seviye rüzgar akışları etkilenmektedir. Dipol ve tripol yapıları gibi en kuvvetli etkiler, ortalama deniz seviyesi basıncı için kuzeydoğu Kuzey Atlantik'ten Arktik'e ve İskandinavya üzerinde görülmüştür. Ayrıca, değişen deniz yüzey sıcaklıkları Kuzey Atlantik üzerindeki sıcaklık dağılımını etkilediğinden, aşağı seviye sıcaklık değişikliklerinden orta seviyede bulunan jet de etkilenmiştir. Yağışa geçebilir su miktarı da deniz yüzey sıcaklık değişimlerinden etkilenmiş ve özellikle kuzey denizlerinde, merkez Kuzey Atlantik ve batı Kuzey Atlantik arasında dikkate değer farklılıklar görülmüştür. Yüzey buharlaşması, duyarlılık deneylerinde ortalama deniz seviyesi basıncı, rüzgar ve yağışa geçebilir su miktarından etkilenmiştir. Nispeten kuru hava, daha yüksek rüzgarlarla birlikte daha yüksek buharlaşma göstermiştir. Ancak buharlaşma, yağışa geçebilir su miktarının yanı sıra kuvvetli pozitif boylamsal nem akısının mevcudiyeti ile sınırlıydı, bu nedenle deniz yüzey sıcaklıklarının değişiminin nemin Arktik'e taşınmasına etkili bir şekilde katkısı olduğu söylenememektedir. OpenIFS duyarlılık deneylerinde boylamsal nem akısının Arktik'e taşınması üzerindeki en önemli etmenler, İskandinavya'da genişleyen yüksek ile birlikte İzlanda'daki daha kuvvetli siklonik aktivitenin meydana gelmesi olmuştur. Deniz yüzey sıcaklıklarında değişimlerin bir sonucu olarak boylamsal nem akısının en çok değişkenlik gösterdiği bölge, kuzeydoğu Kuzey Atlantik'ten Arktik'e kadar olan ve ayrıca kuzey Avrupa bölgeleri olmuştur. Ancak, OpenIFS duyarlılık deneylerinde deniz yüzey sıcaklıkları değişiminin etkisi ile boylamsal nem akısının Arktik'e taşınması üzerinde güçlü etkiler gözlenmemiştir. Aynı zamanda, değiştirilen deniz yüzey sıcaklıkları simülasyonları ile gözlenen deniz yüzey sıcaklıkları simülasyonunun karşılaştırılması sonuçlarına göre, klimatolojik deniz yüzey sıcaklıkları değerlerinin kullanılmasıyla daha az etki meydana gelirken, deniz yüzey sıcaklık anomali değerlerinin arttırılması kısmen daha fazla etkiye neden olmuştur. Yani, deniz yüzey sıcaklığı anomalilerinin arttırılması, meteorolojik değişkenler arasında daha fazla çeşitliliğe neden olmuş ve aynı zamanda, kısmen daha fazla miktarda boylamsal nem akısının daha yüksek enlemlere taşınmasına neden olmuştur. Bu çalışmada aynı zamanda her bir simülasyon için topluluk tahmini yapılmış ve topluluk tahminleri için stokastik fizik yaklaşımı kullanılmıştır. Topluluk standart sapmasının (topluluk dağılımı ya da çeşitliliği) tahmin süresi ile artmasıyla, topluluk ortalama değerlerine kıyasla oldukça büyük değerler almış ve bu nedenden dolayı değişen deniz yüzeyi sıcaklıklarının etkilerinin açıklanmasını zorlaştırmıştır. Yapılan çalışmada karşılaşılan zorluklarından biri, üç aylık tahmin süresinin tahmin edilebilirlik için zor bir zaman ölçeği olmasıdır. Diğer bir sınırlama, deniz yüzey sıcaklığı anomalilerinin zaman içinde sabit olmaması ve değişkenlik göstermesidir. Bu nedenle bölgede klimatoloji–5K gibi sabit bir değer konulması daha etkili sonuçlara neden olabilir. Daha ileri araştırma adımı, daha fazla değişkenlik ve etki görmek için deniz yüzey sıcaklıkları üzerinde sabit bir sıcaklık değişikliği kullanmak olabilir. Ek olarak, çalışmada, topluluk tahminlerini gerçekleştirmek için stokastik fizik yaklaşımı kullanılmıştır. Topluluk yayılımı da tahmin süresi ile arttığından, topluluk ortalama değerlerine kıyasla büyük değerler aldı ve bu da deniz yüzeyi sıcaklıklarının değiştirilmesinin etkilerini açıklamayı zorlaştırmıştır. Ayrıca, teknik sınırlamalar nedeniyle, her simülasyon için yalnızca 10 topluluk üyesi bulunmaktadır ve bunun da topluluk tahminlerinde bir fark yaratmak için yetersiz kaldığı söylenebilir. Farklı topluluk tahmin yaklaşımlarıyla denemeler yapmak veya topluluk üyelerinin sayısını artırmak, farklı ve çeşitli çıktılarla sonuçlanabilir. Özetlemek gerekirse, bu çalışma, Kuzey Atlantik sektörü üzerindeki deniz yüzeyi sıcaklık değişimleri ile bağlantılı olarak Arktik'e nem taşıma koşullarının nasıl etkilendiğini araştırmaktadır. Bulgular, Arktik'e nem taşıma duyarlılığı ve bunun Kuzey Atlantik bölgesindeki deniz yüzey sıcaklıkları değişimleri ile ilişkisine yönelik çalışmalara katkıda bulunabilir.
Özet (Çeviri)
Water vapor is one of the most important components of the atmosphere, which provides the energy for the formation of weather systems and climate systems. In addition, it is an important trace gas and greenhouse gas due to its participation in the processes of cloud formation, radiation, and energy exchange in the ocean–atmospheric system. In the Arctic, it affects the surface energy balance, the amount of fresh water in the Arctic Ocean, and ice and snow cover. The northerly transport caused by the temperature difference in the upper and lower latitudes plays an important role in the moisture budget of the Arctic region because the amount of evaporation is usually small over areas covered with snow and ice. Another factor in the transport of atmospheric moisture is sea surface temperatures, which control the heat content of the oceans and also have a significant impact on regulating the climate. The Atlantic Meridional Overturning Circulation, or AMOC, is a large system of ocean currents, and it is important in ocean circulation systems by transporting hot and salty water from the tropics to the North Atlantic. It is basically defined as the northward flow of warm water near the surface and the southward flow of deep cold water. It is a major system for climate variability, as well as for the redistribution of heat. In previous studies, it is stated that sea surface temperatures in the North Atlantic region change a lot in a short time, and also strong sea surface temperature variations in mid-latitude regions affect ocean-atmosphere interactions. Many studies have been conducted to determine extreme moisture transport events and their effects on Arctic sea-ice fraction, surface air temperature, and surface energy flow, and which weather systems are related. As a result, it is shown that Arctic surface air temperature and sea ice are highly affected by excessive moisture transport. Moreover, it has been shown that there is an increase in meridional moisture transport by examining the regional and seasonal trends of horizontal moisture transport in the Arctic. It has also been noted that atmospheric circulation and the North Atlantic storm track may be severely affected in the future due to the changes in ocean circulation and sea surface temperatures. The purpose of the study is to identify the effects of sea surface temperature changes in the North Atlantic region on moisture transport into the Arctic region. The study consists of two parts. In the first part, climatological features and anomalies in the North Atlantic region were studied based on the analysis of ERA5 data for the years 1979-2019 to address the modeling experiments. In the ERA5 analysis, monthly means of sea surface temperature, mean sea level pressure, meridional moisture flux, and surface evaporation covering the years 1979-2019 were used. As a result of the ERA5 data analysis, it was found that there has been a significant increase in the trend of moisture transport into the Arctic over the past 10 years compared to the long-term climatological averages. A yearly comparison of moisture transport over the past 10 years has been made. In addition, the anomalies of sea surface temperature, meridional moisture flux, and surface evaporation were analysed. The analysis revealed three notable anomalies in 2016: strong negative SST anomalies over the North Atlantic region from August to October, a strong meridional moisture flux anomaly over the northeastern North Atlantic towards the Arctic in September and October, and negative surface evaporation, ie. condensation, over the Arctic region where strong meridional moisture flux occurred. Also, in ERA5, the area where negative SST anomalies over the North Atlantic tend to correlate with meridional moisture flux over Greenland and Scandinavia in September and October. In line with the ERA5 analysis, it was decided to examine the period covering August-October 2016 with the model, and in the second part of the study, simulations with different sea surface temperatures over the North Atlantic region were carried out using the OpenIFS model. These three simulations include observed sea surface temperatures provided by the ECMWF, climatological sea surface temperatures from ERA5 climatology, and sea surface temperatures with doubling (increased) anomalies relative to ERA5 climatology. In addition, each simulation includes one control member and 10 perturbed ensembles. The stochastic physics method was used for ensemble forecast. In summary, in the study, it is discussed how the moisture transport into the Arctic region is affected when the anomalies of sea surface temperatures in the North Atlantic region are removed and increased. As a result of the modeling, three different simulations with a 3-month length covering the period of August-October 2016 were obtained. In the model results, both control forecasts and ensemble members were compared based on monthly means of mean sea level pressure, 500 hPa geopotential height and jet, total column water vapor, surface evaporation, and meridional moisture flux. In the OpenIFS sensitivity experiments, the parameters most sensitive to changes in sea surface temperature were mean sea level pressure and geopotential height, thus influencing surface and upper level wind flows. The strongest effects, such as dipole and tripole patterns, were seen for mean sea level pressure from the northeastern North Atlantic to the Arctic and over Scandinavia. Also, as changing sea surface temperatures affect the temperature distribution over the North Atlantic, the mid-level jet was also affected by the lower temperature changes. The amount of total column water vapor was also affected by sea surface temperature changes, with notable differences between the central North Atlantic and the western North Atlantic, particularly in the Nordic Seas. Surface evaporation was affected by mean sea level pressure, wind, and the amount of total column water vapor in the sensitivity experiments. Relatively dry air showed higher evaporation with higher winds. However, evaporation was limited by the presence of strong positive meridional moisture flux as well as the amount of total column water vapor, so it was difficult to mention that the variation of sea surface temperatures contributes effectively to the transport of moisture into the Arctic. The most important factors on the transport of meridional moisture flux into the Arctic in OpenIFS sensitivity experiments were the occurrence of stronger cyclonic activity in Iceland with the expanding high over Scandinavia. The region in which meridional moisture flux varied most as a result of changes in sea surface temperatures was the northeastern North Atlantic to the Arctic as well as northern Europe. However, strong influences on the transport of meridional moisture flux into the Arctic by the impact of sea surface temperature variation were not observed in OpenIFS sensitivity experiments. At the same time, according to the results of the comparison of the modified sea surface temperatures simulations with the observed sea surface temperature simulation, the use of climatological sea surface temperatures had a fewer effect, while increasing the sea surface temperature anomaly values had partially more impact. That is, increasing sea surface temperature anomalies resulted in greater variation among meteorological variables and also resulted in the transport of partly greater meridional moisture flux to higher latitudes. In this study, ensemble forecasts were also performed for each simulation and the stochastic physics approach was used. As the ensemble standard deviation (ensemble spread or variability) increased with the forecast time, it took quite large values compared to the ensemble mean values, thus making it difficult to explain the effects of changing sea surface temperatures on the meteorological variables. Furthermore, one of the challenges encountered in the study is that the 3-month length forecast period is a difficult time scale for prediction. Another limitation is that sea surface temperature anomalies are not constant and vary over time. For this reason, a constant value impact such as climatology minus 5K (climatology-5K) in the region may lead to more effective and various results. Additionally, the stochastic physics approach was used to perform ensemble predictions in the study. Because ensemble spread also increased with forecast time, it took large values compared to ensemble mean values, making it difficult to explain the effects of changing sea surface temperatures. Also, due to technical limitations, there are only 10 perturbed ensemble members for each simulation, which might be insufficient to make a difference in the ensemble forecasts. Experimenting with different ensemble forecast approaches or increasing the number of perturbed ensemble members can result in different and varied outputs. In conclusion, the study discusses how moisture transport conditions to the Arctic are affected in relation to sea surface temperature changes over the North Atlantic sector. The findings may contribute to studies of moisture transport into the Arctic and its relationship to changes in sea surface temperatures in the North Atlantic region.
Benzer Tezler
- Development of an early indicator index for tornadic storms in the Euro-Mediterranean region
Avrupa-Akdeniz bölgesi'ndeki tornadik fırtınalar için erken gösterge endeksinin geliştirilmesi
ÖMER KUTAY MIHLIARDIÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEVİNÇ ASİLHAN
- Yerli kiraz ve kayısının modifiye atmosferde ambalajlanması
Modified atmosphere packaging of sweet cherries and apricot
EMEL DAMARLI
- Taze meyve sebze ürünlerinin modifiye atmosferde paketlenmesine yönelik ambalaj malzemesi geliştirme
Development of a packaging material for modified atmosphere packaging of fresh produce products
DENİZ TURAN KUNTER
Doktora
Türkçe
2018
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜRBÜZ GÜNEŞ
- Sıcaklığa duyarlı poliüretan bazlı ambalaj filmi geliştirilmesi ve taze çilekte uygulanması
Development of thermally sensitive polyurethane based packaging film and application on fresh strawberry
İLKNUR İLHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜRBÜZ GÜNEŞ
- Pişmiş kil esaslı yapı tuğlasının korunmasına yönelik analitik bir yaklaşım
An analytical approach for the conservation of fired clay based building brick
RUMEYSA TEMEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEYLA TANAÇAN