ساختار هندسی جت آفریقا-آسیا در وردسپهر زبرین و پاسخ آن به گرمایش زمین در مدل‌های CMIP5

نوع مقاله: مقاله تحقیقی‌ (پژوهشی‌)

نویسندگان

1 موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران، تهران ایران

2 عضو هیئت علمی موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران، تهران، ایران

3 موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

در این پژوهش، چگونگی شبیه­سازی جت جنب­حار­ه­ای آفریقا-آسیا در وردسپهر زبرین در مقایسه با داده­های بازتحلیل و همچنین شبیه‌سازی پاسخ این جت به تغییر اقلیم در خروجی مدل­های مرحله پنجم از «پروژه مقایسه متقابل مدل­های جفت شده» موسوم به CMIP5 ارزیابی و تحلیل می­شود. داده­های بازتحلیل مورد استفاده در این کار برای بررسی خطای مدل­ها، ERA-Interim می­باشد. این مطالعه بر مبنای شاخص­های هندسی جت شامل عرض جغرافیایی یا به­اختصار عرض جت، پهنا و تندی جت است، و منطقه جت به دو قطاع مجزای آسیا و آفریقا تقسیم می­شود.
مهم­ترین ویژگی­های چرخه فصلی جت در دوره گذشته که در میانگین چند مدلی CMIP5 شبیه­سازی می­شود، عبارت از شیب تغییرات مثبت (منفی) از فصل سرد (گرم) به گرم (سرد) در شاخص عرض جت و برعکس این چرخه در دو شاخص تندی و پهنای جت برای هر دو قطاع است. بر اساس نتایج بررسی، عرض جت در همه فصل­ها و تندی جت در همه فصل­ها به­جز بهار در قطاع آسیا بیشتر از آفریقا است. این ویژگی­ها به­خوبی با داده­های بازتحلیل همخوانی دارد و برای بیشتر فصل­ها و شاخص­ها، میانگین چند مدلی خطا استوار نمی­باشد. خطاهای استوار برای عرض جت در میانگین چند مدلی، به تابستان و زمستان قطاع آفریقا (به­ترتیب 86/1- و 90/0- درجه)، برای پهنای جت به تابستان قطاع آسیا (91/0 درجه) و برای تندی جت به زمستان و پاییز قطاع آفریقا (به­ترتیب 92/2- و m/s 82/1) و تابستان آسیا (m/s 99/2-) مربوط می­شود.
پاسخ جت به گرمایش زمین، در همه شاخص­ها و در بیشتر فصل­های دو قطاع، در سناریوی RCP4.5 ضعیف­تر از RCP8.5 است. در سناریوهای RCP4.5 و RCP8.5 میانگین جهانی واداشت تابشی کل ناشی از گسیل انسانی گازهای گلخانه‌ای تا سال 2100 (پایان قرن بیست­ویکم) به­ترتیب 5/4 و W/m2 5/8 فرض می­شود. تغییرات برخی از شاخص­ها در بعضی از فصل­ها از دوره گذشته به آینده در میانگین همادی چند مدلی استوار است. تغییرات استوار مربوط به سناریوی RCP8.5 برای میانگین چند مدلی بدین‌صورت است که در فصل بهار، در هر دو قطاع آفریقا و آسیا، پهنای جت به­ترتیب حدود 5/0 و 2/0 درجه و تندی جت در قطاع آسیا حدود m/s 1/1 افزایش می­یابد. در تابستان، در قطاع آفریقا، تندی جت کاهش می­یابد (حدود m/s 7/0) ولی در قطاع آسیا، جت علاوه بر تقویت (m/s 4/0)، حدود 8/0 درجه به سمت استوا جابه­جا می­شود. در فصل پاییز، در قطاع آفریقا، تندی جت کاهش (m/s 39/1-) یافته و عرض­ جت حدود 3/0 درجه به سمت قطب جابه­جا می­شود. دیگر نکته قابل‌توجه آن است که برای فصل زمستان و هر دو قطاع، میانگین چند مدلی تغییر استواری را در هیچ­یک از شاخص­های جت، به­جز افزایش جزئی و نسبتاً استوار در پهنا برای قطاع آفریقا (حدود 2/0 درجه) نشان نمی‌دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The geometrical structure of the upper-tropospheric African–Asian jet and its response to global warming in the CMIP5 Models

نویسندگان [English]

  • Shahin Alemzadeh 1
  • Farhang Ahmadi-Givi 1
  • Alireza Mohebalhojeh 2
  • Daniel Yagi 3
1 Institute of Geophysics, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Institute of Geophysics, University of Tehran, Tehran, Iran
3 Institute of Geophysics, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this study, a set of models from the phase 5 of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5) is used to examine the simulation of the upper-tropospheric subtropical African–Asian jet and its response to global warming. The ERA-Interim re-analysis dataset is used here to assess the model biases in representing the seasonal-mean jet features in the historical period (1980–2005). This study analyzes the geometrical parameters of the jet including “latitude”, “speed” and “width” in each season and for two separate sectors of the jet region: “North Africa” and “Southwest Asia”, which is briefly named “African” and “Asian” hereafter.
The main features of the observed seasonal cycle of the jet in the re-analysis data is well captured in ensemble multimodel mean historical simulations: jet latitude increase (decrease) from cold (warm) to warm (cold) season and vice versa are correctly simulated for jet speed and width. In addition, in all seasons, the jet latitude and speed is greater in Asian sector than the African except for springtime jet speed. Despite the large inter-model spread in the historical jet simulations, the models do not show large systematic biases in most cases (seasons). However, systematic biases in each of the geometrical jet indices are found in some seasons: most models exhibit equatorward jet biases in summertime and wintertime of the African sector (about 1.8° and 0.9° of latitude respectively, in multimodel mean), positive biases in jet width in summertime Asia (0.9° in multimodel mean), negative biases in jet speed in summertime Asia and wintertime of the African sector (approximately 2.9 m/s) and positive jet speed biases in autumntime of the African sector (1.8 m/s). There is large spread across the models in the historical jet simulations and finding the sources of this spread and the model biases is a significant challenge that should be addressed in future works.
In almost all seasons and for all of the geometrical jet indices, the multimodel mean jet response to climate change is stronger in RCP8.5 than RCP4.5 integrations. Robustness and the quantitative value of the multimodel mean jet response in each of the jet indices vary among different seasons and sectors. In winter months, we found no robust response in any of the geometrical jet indices in African or Asian sector except for a slight and relatively robust increase in jet width (0.2° of latitude in RCP8.5) in African sector. However, in other seasons, we found robust multimodel mean changes in jet indices between the historical period and the end of twenty first century (2076–2099) in the RCP8.5 scenario: In spring, models predict a robust increase in jet width of about 0.5° and 0.2° of latitude in African and Asian sectors, respectively, and also a robust increase in jet speed of 1.1 m/s for Asian sector. In summer, in the African sector, the jet speed is found to be decreased (0.7 m/s), whereas in the Asian sector, jet speed will increase (0.4 m/s), and it will move equatorward by 0.8° of latitude.

کلیدواژه‌ها [English]

  • African–Asian jet
  • Global warming
  • CMIP5 models
  • model biases
  • geometric jet indices
  • multimodel mean
Arblaster, J., and Meehl, G., 2006, Contributions of external forcings to southern annular mode trends: Journal of Climate, 19, 2895-2905.

Barnes, E. A. and Polvani, L., 2013, Response of the midlatitude jets and of their variability to increased greenhouse gases in the CMIP5 models: Journal of Climate, 26, 7117-7135.

Cai, W., Whetton, P., and Karoly, D., 2003, The response of the Antarctic Oscillation to increasing and stabilized atmospheric CO2: Journal of Climate, 16, 1525-1538.

Dee, D., Uppala, P., Simmons, S. M., Berrisford, A. J., Poli, P., Kobayashi, P., Andrae, S., Balmaseda, U., Balsamo, M. A., Bauer, G., Bechtold, P., Beljaars, P., van de Berg, A. C. M., Bidlot, L., Bormann, J., Delsol, N., Dragani, C., Fuentes, R., Geer, M., Haimberger, A. J., Healy, S. B., Hersbach, H., Hólm, E. V., Isaksen, L., Kållberg, P., Köhler, M., Matricardi, M., McNally, A. P., Monge-Sanz, B. M., Morcrette, J. J., Park, B. K., Peubey, C., de Rosnay, P., Tavolato, C., Thépaut, J. N., and Vitart, F., 2011, The ERA-Interim reanalysis: configuration and performance of the data assimilation system: Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 137, 553-597.

Fyfe, J., Boer, G., and Flato, G., 1999, The Arctic and Antarctic oscillations and their projected changes under global warming: Geophysical Research Letters, 26,1601-1604.

Gerber, E. P., and Son, S. W., 2014, Quantifying the summertime response of the Austral jet stream and Hadley cell to stratospheric ozone and greenhouse gases: Journal of Climate, 27,5538-5559.

Koch, P., Wernli, H., and Davies, H. C., 2006, An event-based jet stream climatology and typology: International Journal of Climatology, 26,283-301.

Kushner, P., Held, I., and Delworth, T., 2001, Southern Hemisphere atmospheric circulation response to global warming: Journal of Climate, 14,2238-2249.

Lu, J., Chen, G., and Frierson, D. M. W., 2008, Response of the zonal mean atmospheric circulation to El Niño versus global warming: Journal of Climate, 21,5942-5959.

Lu, J., Vecchi, G. A., and Reichler, T., 2007, Expansion of the Hadley cell under global warming: Geophysical Research Letters, 34,L06805, doi:10.1029/2006GL028443.

Miller, R. L., Schmidt, G. A., and Shindell, D. T., 2006, Forced annular variations in the 20th century Intergovernmental Panel on Climate Change Fourth Assessment Report models: Journal of Geophysical Research, 111,D18101, doi:10.1029/2005JD006323.

Seidel, D. J., Fu, Q., Randel, W. J., and Reichler, T. J., 2008, Widening of the tropical belt in a changing climate: Nature Geoscience, 1,21-24.

Shindell, D. T., Miller, R., Schmidt, G., and Pandolfo, L., 1999, Simulation of recent northern winter climate trends by greenhouse-gas forcing: Nature, 399,452-455.

Shindell, D. T. and Schmidt, G. A., 2004, Southern Hemisphere climate response to ozone changes and greenhouse gas increases: Geophysical Research Letters, 31,L18209, doi:10.1029/2004GL020724.

Taylor, K. E., Stouffer, R. J., and Meehl, G. A., 2012, An overview of CMIP5 and the experiment design: Bulletin of the American Meteorological Society (BAMS), 93, 485-498.

Thompson, D., and Solomon, S., 2002, Interpretation of recent Southern Hemisphere climate change: Science, 296,895-899.

Thompson, D. W. J., Wallace, J., and Hegerl, G., 2000, Annular modes in the extratropical circulation, Part II Trends: Journal of Climate, 13, 1018-1036.

Vallis, G. K., 2006, Atmospheric and Oceanic Fluid Dynamics: Cambridge University Press, 745 pp.

Wittman, M. A., Charlton, A. J., and Polvani, L. M., 2005, On the meridional structure of annular modes. Journal of Climate, 18, 2119-2122.

Yin, J. H., 2005, A consistent poleward shift of the storm tracks in simulations of 21st century climate: Geophysical Research Letters, 32,L18701, doi:10.1029/2005GL023684