RQL's Blog 菜鸟成长记

ITCZ review

2018-11-04
renql

Schneider 2014 (Nature)

Schneider, T., et al. (2014). “Migrations and dynamics of the intertropical convergence zone.” Nature 513(7516): 45-53.

湿静力能

本文用到一个之前不认识的物理量————湿静力能 moist static energy

  • The moist static energy is a thermodynamic variable that describes the state of an air parcel, and is similar to the equivalent potential temperature相当位温.
  • It is calculated by hypothetically lifting air adiabatically to the top of the atmosphere and allowing all water vapor present in the air to condense and release latent heat
  • It is a useful variable for researching the atmosphere because it is approximately conserved during adiabatic ascent and descent

Abstract

  • 大西洋的经向环流(AMOC)将能量传输到赤道以北使得北半球比南半球更暖,于是大气为了将湿静力能从北半球输送到南半球,从而导致ITCZ平均位置位于赤道北部

  • 在季节和更长的时间尺度上,ITCZ倾向于往更暖的半球移动,但在EINino年例外

  • 将ITCZ与大气能量平衡相联系的新兴工作或许能解释ITCZ的年际或年代际变化

  • BP8000年到BP5000年之间北半球夏季逐渐变冷,导致夏季ITCZ偏南。与此同时,南亚夏季风降水减弱,可能是因为ITCZ偏南或者是ITCZ降水强度减弱。
  • 年平均的ITCZ位于北半球且南亚季风区的非正弦的ITCZ季节移动表明ITCZ不是简单地跟随太阳辐射最大值,也不是跟随季节正弦变化的半球间温度差
  • Elucidating how suchITCZ variations occur is the purpose of this review.

1. Atmospheric energy balance and dynamics

1.1 Energy flux equator and ITCZ position

  • ITCZ上层空气虽然比下层空气冷且干,但其重力势能远远大于下层空气。故其湿静力能moist static energy(cT+Lq+gz)上层大于下层。因此整层湿静力能的输送方向F由上层方向决定,在ITCZ处,湿静力能远离ITCZ。因此湿静力能的经向输送在ITCZ处变号,级ITCZ处湿静力能的经向输送为0(由涡旋导致的赤道地区大气能量的辅合辐散可以忽略),且热带地区的能量输送散度divF为正。
  • 赤道能量输送散度divF0固定时,当跨赤道的能量通量F0为负且绝对值较大时(即大气中向南的能量输送多),则能量通量赤道orITCZ位置在北半球并更偏北。
  • 跨赤道的能量通量F0固定时,当赤道能量输送散度divF0(一定为正)越大(即赤道的辐散越强)时,能量通量赤道orITCZ位置更靠近赤道。

  • 能量通量赤道the energy flux equator,是湿静力能经向输送为0的地方,与地理赤道不重合。并认为能量通量赤道与ITCZ位置大致重合.能量通量赤道的经向移动幅度与ITCZ相似。计算:能量通量赤道所在纬度 = -F0/(a*divF0) ,a为地球半径,该公式由泰勒展开推导得到

  • 能量通量赤道ITCZ的位置对微小的能量转移都非常敏感。

  • 全球能量的观点不再重视由边界线形状引起的海气相互作用对ITCZ平均位置的影响。但这种局地作用在引起ITCZ纬向非对称分布上可能仍有作用。例如对印度洋ITCZ年平均位置位于南半球。
  • 印度洋ITCZ年平均位置之所以位于南半球,是因为夏季,印度洋第二降水极值发生在赤道南部,这可能是因为此时从南半球过来的富含水汽的越赤道气流在上升产生赤道南部的降水。

1.2 Mechanisms of triggering ITCZ migrations

  • 南北半球热带外地区的不对称及其变化是如何影响ITCZ移动的?

  • 因为热带地区的温度关于赤道几乎对称,这意味着从热带往副热带输送的大气能量在两个半球间不对称,从而导致越过赤道的能量输送
  • 为验证这个,假设赤道地区向北的能量输送增强,这可能由减弱的AMOC(Atlantic’s meridional overturning circulation)或增加的北极冰盖导致。另外假设S和O固定,而L由对流层上层空气温度决定,由于上层空气温度仍关于赤道对称,因此L也关于赤道对称。于是能量输送的散度关于赤道对称,那么能量输送可以拆分为两个量,一个即赤道的能量输送F0,另一个是关于赤道反对称的量。
  • 当赤道地区向北的能量输送强于向南的能量输送时,F0大于0,于是能量通量赤道和ITCZ南移。

30N和30S都有向极大约4PW的能量输送,但南半球向南的能量输送比北半球向北的能量输送多0.6PW,因此赤道地区有向南的0.3PW的能量输送
F_30N = F0 + x = 4
F_30S = F0 - x = -4.6
得到F0=0.3

  • ITCZ附近比湿增强,导致射出的长波辐射l减少,于是ITCZ所在那个半球的大气能量增多,向另一个半球的能量输送增强,从而增强ITCZ远离赤道。但由于L的变化是一个小量,因此这种反馈或许会比较弱。
  • 海洋吸收能量O也能导致半球非对称。当ITCZ足够远离赤道时,ITCZ处的上升流和海洋吸收能量O增强,使得ITCZ所在半球的大气能量减弱,向另一个半球的能量输送也减弱,于是阻止了ITCZ远离赤道。

1.3 Towards a complete theory

第一段:只从能量角度来理解ITCZ是不够的。
第二段:从动力(平流)、热力(水汽)来解释

  • The atmospheric energy balance is a starting point for understanding the ITCZ. But it gives an incomplete picture.
  • For a full account, the energetic perspective must be paired with an account of the Hadley circulation
  • An account of the Hadley circulation is also necessary for a complete theory of how rainfall intensity in the ITCZ varies.

  • 角动量平衡对Hadley环流和对流区域都非常重要。
  • 例如Hadley环流从春秋分点区域移到冬夏至点区域,就经历了以涡旋流为主的角动量平衡到角动量平衡较少受到涡旋影响的情况(为什么春秋时期涡旋为主呢?)
  • 哈德利环流的动力反馈以及与温带涡旋的相互作用使这种季节过渡突然发生,这些反馈可能解释了南亚季风季节性ITCZ迁移的方波形状

The variations of net precipitation consist of two components:

  1. A dynamic component associated with variations of the mass fluxes advecting the water vapour
    • migrations of the ITCZ and variations of Hadley circulation strength
    • Earth’s orbital precession (which alters temperature gradients seasonally)
    • obliquity variations 倾斜度变化 (which alter temperature gradients in the annual mean)
    • variations in S0-L0-O0.
  2. A thermodynamic component associated with variations of the specific humidity of the air masses.
    • depend locally on the tropical energy balance, which controls the specific humidity
    • weakly affected by obliquity variations.
    • precession influences the specific humidity seasonally

S0表示在赤道大气顶向下的净短波辐射
L0表示赤道向外的长波辐射
O0表示赤道海洋吸收的热量
S0-L0-O0即表示赤道地区的大气能量通量散度div F

2 Observations of ITCZ variations

2.1 Direct observations in the past century

  • EINino期间,EINino冬季赤道海洋吸收热量的纬向平均小于LaNina冬季(东太平洋变化最大,因为EINino时期东太平洋海温异常增暖,故海洋吸收热量减少),使得赤道能量输送散度divF增大,因此ITCZ南移

  • 1930年代以前,北半球赤道外地区比南半球暖。1950s到1970s,北半球赤道外地区比南半球冷。1970s中期以后,北半球中纬度温度又再次高于南半球。

  • 当北半球副热带地区变冷时,夏季ITCZ最北的位置南移,导致非洲Sahel区域的干旱更加严重。研究表明Sahel地区降水的年代际变化与半球间的温度差有关。

2.2 Palaeo-records going back to the last ice age

Chiang 2012 (Annu. Rev. Earth Planet. Sci)

Chiang, J. C. H. & Friedman, A. R. Extratropical cooling, interhemispheric thermal gradients, and tropical climate change. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 40, 383–412 (2012).

首先主要是Annu. Rev. Earth Planet. Sci这个期刊很牛逼,IF=10,其次这篇文章本身似乎就很有趣,它模拟了关掉北大西洋温盐环流后全球气候的变化


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