بررسی تغییرات اقلیمیِ مسیرهای توفان زمستان در اطلس، مدیترانه و جنوب‌غرب آسیا با مدل MPI-ESM-LR تحت سناریوی RCP8.5 در پروژه CMIP5

نوع مقاله: مقاله تحقیقی‌ (پژوهشی‌)

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری هواشناسی، گروه فیزیک فضا، موسسه ژئوفیزیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 دانشیار، گروه فیزیک فضا، موسسه ژئوفیزیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

3 استاد، گروه فیزیک فضا، موسسه ژئوفیزیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

4 استادیار گروه مهندسی آب، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

چکیده

در این پژوهش، اثر گرمایش زمین بر مسیرهای توفان اطلس و مدیترانه در فصل زمستان براساس داده‌های خروجی مدل ماکس‌پلانک در شبیه‌سازی‌های مرحله پنجم از "پروژه مقایسه متقابل مدل جفت‌شده" موسوم به CMIP5 بررسی می‌شود. سناریوی تاریخی (historical) برای دوره گذشته و سناریوی RCP8.5 برای دوره آینده به‌کار رفته است. برای تحلیل مسیر توفان یا فعالیت پیچکی، از پایستاری فعالیت موج استفاده شده است.
   بررسی دینامیکی نتایج نشان می‌دهد که در ترازهای بالای وردسپهر، نحوه تغییرات شدت فعالیت موج و الگوی انتشار و شکست موج در شاخه‌های شمالی و جنوبی مسیر توفان اطلس، تعیین‌کننده چگونگی تغییرات فعالیت موج به‌ترتیب در عرض‌های شمالی و جنوبی قطاع‌های جریان‌سوی خود از اروپا تا سیبری و آسیای میانه و از مدیترانه تا جنوب‌غرب آسیا است. در فصل زمستان، از غرب اطلس تا آسیای میانه، نواحی بیشینه زوج‌های واگرایی- همگرایی شار فعالیت موج یا بسته‌موج‌ها در عرض های شمالی از شاخه شمالی مسیر توفان اطلس تا اسکاندیناوی و سیبری و در عرض‌های جنوبی از شاخه جنوبی مسیر توفان اطلس تا مسیر توفان مدیترانه و شمال آفریقا تضعیف و در شاخه مرکزی در مرکز اروپا - دریای سیاه - دریای خزر متمرکز می‌شوند. سازگار با این موضوع، شار شرق‌سوی فعالیت موج نیز در عرض‌های شمالی و جنوبی تضعیف و در عرض‌های میانی تقویت می‌شود. این نتایج به معنای تبدیل ساختار دو‌شاخه مسیر توفان به ساختار تک‌شاخه مرکزی است. به علاوه، بیشینه شکست واچرخندی موج و بسته‌موج‌های مربوط به هر دو مسیر توفان اطلس و مدیترانه و همچنین بسته‌موج شاخه مرکزی اروپا - دریای سیاه به سمت شرق جابه‌جا می‌شوند. این امر سبب افزایش نفوذ بسته‌موجِ هر دو شاخه مدیترانه و دریای سیاه به ایران شده است که نتیجه‌ای امیدوارکننده از نظر اثر بر انتقال فعالیت سامانه های همدیدی به ایران تلقی می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Projected changes in winter-time storm trcaks over Atlantic-Mediterranian-Southwest Asia using the MPI-ESM-LR model for RCP8.5 scenario in CMIP5

نویسندگان [English]

  • Shahin Alemzadeh 1
  • Farhang Ahmadi-Givi 2
  • Alireza Mohebalhojeh 3
  • Mohammad Ali Nasr Esfahany 4
1 Ph.D student, Space Physics Department, Institute of Geophysics, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Associate Professor, Space Physics Department, Institute of Geophysics, University of Tehran, Tehran, Iran
3 Professor, Space Physics Department, Institute of Geophysics, University of Tehran, Tehran, Iran
4 Assistant Professor,Department of Water Enginering, University of Shahrekord, Shahrekord , Iran
چکیده [English]

In this study, the “MPI-ESM-LR” model output from phase 5 of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5) is used to assess the response of the North Atlantic (NA) and Mediterranian storm tracks to climate change. Historical scenario is used for the past and RCP8.5 scenario is used as the projection for the future period. The conservation of wave activity is used as a diagnostic tool to investigate the eddy activity dynamics. A pair of large centers of divergence-convergence for the horizontal wave activity flux (wave packet) in the NA region forms the signatures of the NA storm track. The NA storm track has a double-branch structure consisting of northern and southern branches. The Mediterranian storm track is identified by a pair of positive/negative centers of wave activity flux in the west/east of the Mediterranian sea. The convergence area extends from the eastern Mediterranian and north-eastern Africa to the Middle-east and western and south-western parts of Iran.
    The dynamical analysis of the MPI-ESM-LR results shows that the response of the upper-tropospheirc wave activity, propagation and breaking in the northern and southern branches of the NA storm track to global warming, determines the changes of eddy activity in the northern and southern latitudes in its downstream sectors from Europe to Siberia and from Mediterranean Sea to Southwest Asia, respectively. In winter, intensity and number of wave packets decrease in both northern latitudes from the northern branch of the NA storm track to the Scandinavia and Siberia and southern latitudes in the southern branch of the NA storm track, the Mediterranian storm track and the Northern Africa region, while the central branch of wave activity in the middle and eastern NA and its downstream wave packets in the central Europe–Black Sea–Caspian Sea turns out to be the dominant path for the storm activity in the future. Moreover, the eastward flux of wave activity decreases in both the northern and southern latitudes, while it gets stronger in middle latitudes. These results indicate that the double-branch structure of the storm track in the NA and its downstream region in Europe and west Asia will turn to a single-branch pattern at the end of 21st century. Furthermore, the wave breaking and wave packets maxima associated with both the NA and Mediterranian storm tracks and the central branch of wave activity in the Europe–Black Sea will also undergo an eastward shift. Corresponding to that, the tongue of high values of wave activity in the central Mediterranean will also move to the eastern Mediterranian and the tongue of low values of wave activity in the middle-east will disappear. This leads to a considerable increase in penetration of both the Mediterranian and Black Sea wave packets and wave activity to Iran which may result in higher synoptic wave activity in this country in a warming climate.

کلیدواژه‌ها [English]

  • storm track
  • wave activity
  • Global warming
  • CMIP5
  • historical scenario
  • RCP8.5 scenario
Ahmadi-Givi, F., Nasr-Esfahany, M. A., and Mohebalhojeh, A. R., 2014, Interaction of North Atlantic baroclinic wave packets and the Mediterranean storm track: Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society,140, 754–765.

Andrews, D. G., Holton, J. R., and Leovy, C. B., 1987, Middle Atmosphere Dynamics: Academic Press, 489 pp.

Arblaster, J., and Meehl, G., 2006, Contributions of external forcings to southern annular mode trends: Journal of Climate,19,2896–2905.

Booth, J. F., Kwon, Y. O., Ko, S., Small, R. J., and Msadek, R., 2017, Spatial patterns and intensity of the surface storm tracks in CMIP5 models: Journal of Climate, 30, 4965-4981.

 

Esler, J. G., and Haynes, P. H., 1999, Baroclinic wave breaking and the internal variability of the tropospheric circulation: Journal of the Atmospheric Sciences, 56, 4014–4031.

Hodges, K. I., 1995, Feature tracking on the unit sphere: Monthly Weather Review, 123, 3458–3465.

Hoskins, B. J., and Hodges, K. I., 2002, New perspectives on the northern hemisphere winter storm tracks: Journal of the Atmospheric Sciences, 59, 1041–1061.

Hoskins, B. J., and Hodges, K. I., 2005, A new perspective on southern hemisphere storm tracks: Journal of Climate, 18, 4108–4129.

Lee, R. W., Hodges, K. I., and Woollings, T., 2014, Storm track biases and changes in a warming climate from an extratropical cyclone perspective using CMIP5: Ph.D. thesis, University of Reading, 411 pp.

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.

Nasr-Esfahany, M. A., Ahmadi-Givi, F., and Mohebalhojeh, A. R., 2011, An energetic view of the relation between the Mediterranean

     storm track and the North Atlantic oscillation: Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 137, 749–756.

Rezaeian, M., Mohebalhojeh, A. R., Ahmadi-Givi, F., and Nasr-Esfahany, M. A., 2016, A wave-activity view of the relation between the Mediterranean storm track and the North Atlantic oscillation in winter: Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 142,1662–1671.

Tamarin, T., and Kaspi, Y., 2017, Enhanced poleward propagation of storms under climate change: Nature Geoscience, 10, 908–913.

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, 93, 485–498.

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.

Thorncroft, C. D., Hoskins, B. J., and McIntyre, M. E., 1993, Two paradigms of baroclinic life-cycle behavior: Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 119, 17-35.

Yang, M., Zuo, R., Wang, L., Chen, X., Tan, Y., and Li, X., 2018, Interannual variability of the winter North Atlantic storm track in CMIP5 models: Scientific online letters on the atmosphere, SOLA,14,74-78.

Zappa, G., Hawcroft, M. K., Shaffrey, L., Black, E., and Brayshaw, D. J., 2015, Extratropical cyclones and the projected decline of winter Mediterranean precipitation in the CMIP5 models: Journal of the Climate Dynamics,45, 1727-1738.