Die antarktische Schwingung der Atmosphäre hat einen natürlichen Zyklus, entdecken Forscher

Klimawissenschaftler der Rice University haben eine „intern erzeugte Periodizität“ – einen natürlichen Zyklus, der sich alle 150 Tage wiederholt – in der Nord-Süd-Schwingung der atmosphärischen Druckmuster entdeckt, die die Bewegung der vorherrschenden Westwinde der südlichen Hemisphäre und des antarktischen Jetstreams antreibt.

„Das ist etwas, das aus der inneren Dynamik der Atmosphäre entsteht“, sagte Pedram Hassanzadeh, Co-Autor einer Studie über die Entdeckung im Open-Access-Journal AGU-Fortschritte. „Wir spielten mit einigen neuen Gleichungen, die wir für die turbulente Zirkulation der Atmosphäre abgeleitet hatten, und fanden heraus, dass sie die Möglichkeit einer natürlichen Periodizität im Southern Annular Mode (SAM) vorhersagten. Wir waren skeptisch, aber wir gingen zu den Beobachtungsdaten und wir habe es tatsächlich gefunden.

Co-Autor Sandro Lubis sagte: „Es war wirklich eine Überraschung, denn es widerspricht der landläufigen Meinung, dass die Atmosphäre nur aus Chaos und Desorganisation besteht.“

Die SAM, auch Antarktische Oszillation genannt, ist ein wichtiger Klimatreiber für Australien, Neuseeland und die Antarktis und wird seit Jahrzehnten gut untersucht.

„Es war für die Klimagemeinschaft sehr wichtig“, sagte Hassanzadeh, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Erd-, Umwelt- und Planetenwissenschaften an der Rice University. „Die Leute schauen immer auf das SAM, weil es in der Antarktis so viele Auswirkungen hat: das Eis, den Ozean, die Ozonschicht, fast alles. Aber die Schwingungen, die man in den Nord-Süd-Bewegungen der Jetstream-Winde sehen kann, passieren.“ zufällig mit Zeitskalen von 10-20 Tagen.

Es sei überraschend, dass eine gleichzeitige, organisierte Schwingung zehnmal langsamer abläuft, sagte er, aber die Periodizität der langsameren Schwingung sei noch überraschender.

Lubis, ein Forschungswissenschaftler am Pacific Northwest National Laboratory und ehemaliger Postdoktorand in Hassazadehs Labor in Rice, sagte, dass die 150-Tage-Oszillation eindeutig die Variabilität des Niederschlags auf hemisphärischer Ebene und den Windstress auf der Meeresoberfläche beeinflusst, was darauf hindeutet, dass sie weitreichendere Auswirkungen haben könnte über das Wetter und Klima der südlichen Hemisphäre und ihres Ozeans und ihrer Kryosphäre.

Hassanzadeh und Lubis sagten jeweils, dass die größte Auswirkung des Papiers wahrscheinlich im Bereich der Klimamodellierung liegen werde.

„Bezeichnenderweise haben wir herausgefunden, dass viele moderne Klimamodelle diese Periodizität nicht reproduzieren können“, sagte Lubis. „Dies trägt dazu bei, einige der zuvor gemeldeten Mängel dieser Modelle bei der Simulation der SAM-Variabilität zu erklären. Basierend auf diesen Erkenntnissen konnten wir neue Metriken und Ideen vorschlagen, um zu bewerten, wie gut Klimamodelle das SAM simulieren, und um ihre Mängel zu verstehen und möglicherweise zu verbessern.“ ihnen.“

Der Jetstream resultiert aus zwei großräumigen Merkmalen der atmosphärischen Zirkulation der Erde: der Tendenz der Luft, in den Subtropen, etwa 30 Grad nördlicher oder südlicher Breite des Äquators, zu sinken und bei Annäherung an den Pol, etwa 60 Grad Breite, aufzusteigen. Wo Luft absinkt, steigt der Druck und es entstehen Hochdruckgebiete. Wo Luft aufsteigt, sinkt der Druck, es entstehen Gebiete mit niedrigem Druck.

Die mittleren Breiten zwischen dem 60. und 30. Breitengrad sind daher in beiden Hemisphären durch globusumwickelnde Bänder mit Tiefdruck auf ihrer Polseite und Hochdruck auf ihrer subtropischen Seite begrenzt. Die Tiefdruckzonen korrespondieren mit starken Höhenwinden, die als Polar-Jetstream bekannt sind und nahezu kreisförmige oder ringförmige Bahnen um die Pole ziehen.

Der polare Jetstream rund um die Antarktis wandert regelmäßig zwischen südlichen Bahnen, die den eisigen Kontinent umarmen, und nördlichen Bahnen, die Australien, Südafrika und Südamerika durchqueren oder ihnen nahe kommen. Diese Nord-Süd-Schwankungen dauern normalerweise etwa zwei Wochen, ihr Zeitpunkt und ihre Dauer sind jedoch zufällig.

Die Schwankungen entsprechen ausgeglichenen Luftdruckanomalien mit einem Vorzeichen nahe dem 60. Breitengrad und dem entgegengesetzten Vorzeichen nahe dem 30. Breitengrad. Der SAM ist ein statistischer Index dieser Anomalien, die in einem Wippmuster oszillieren und an gegenüberliegenden Grenzen steigen und fallen, während sich die Westwinde nach Norden und Süden bewegen.

Wenn der SAM-Index positiv ist, wird der Jetstream verstärkt und die kalte Luft bleibt um den Pol herum festgehalten. Wenn der Index negativ ist, kommt es in den mittleren Breiten häufiger zu atmosphärischen Tiefsttemperaturen sowie zu Regen und Stürmen.

Hassanzadeh sagte, die Entdeckung der 150-Tage-Periodizität des SAM sei auf ein Überdenken der herkömmlichen mathematischen und statistischen Ansätze zum Verständnis der atmosphärischen Zirkulation zurückzuführen.

„Was auch immer Sie interessiert, wie Wind oder Temperatur, Sie können es auf das führende Muster, das zweite führende Muster, das dritte führende Muster usw. reduzieren“, sagte er. „Und die Art und Weise, wie diese statistische Analyse, die sogenannte Hauptkomponentenanalyse, durchgeführt wurde, geht davon aus, dass die Muster alle unabhängig voneinander sind.“

Basierend auf früheren Studien anderer Gruppen gingen Hassanzadeh und Lubis davon aus, dass einige der Muster zu bestimmten Verzögerungszeiten voneinander abhängen könnten.

„Wir haben einige der Annahmen gelockert, ein neues mathematisches Modell erstellt und dann einen sehr technischen Artikel geschrieben, der zeigt, dass es ein besseres Modell ist“, sagte Lubis. „Und irgendwann schauten wir uns das Modell an und sagten: „Das besagt, dass es eine Periodizität gibt.“ Das kann natürlich nicht stimmen! Aber lasst uns zu den Daten gehen und schauen.‘“

Hassanzadeh sagte, dass die 150-Tage-Periodizität darauf zurückzuführen sei, dass die führenden Muster der Nord-Süd-Bewegungen der SAM nicht unabhängig seien. Vielmehr interagieren sie mit anderen führenden Windmustern und werden von ihnen beeinflusst.

„Das führende Muster ist das SAM, die regelmäßige Bewegung des Jets nach Norden oder Süden“, sagte Hassanzadeh. „Das zweite Muster ist, dass der Jetstream schneller oder langsamer wird. Die Art und Weise, wie diese Periodizität funktioniert, besteht darin, dass das erste Muster, das SAM, sich selbst verstärkt und stärker macht. Und das zweite Muster macht auch das SAM stärker. Aber dann, wenn das SAM sehr stark wird, beginnt es, das zweite Muster zu reduzieren, was wiederum das SAM weniger verstärkt.“

Hassanzadeh sagte, der nächste Schritt in der Forschung bestehe darin, zu untersuchen, warum einige hochmoderne Klimamodelle diese Wechselwirkungen und die 150-Tage-Periodizität des SAM nicht erfassen.

„Langfristig hoffen wir, dass dieses neue Wissen dazu beitragen wird, die Modellgenauigkeit für Prognosen zum Klimawandel zu verbessern“, sagte er.