Brewer-Dobson sirkülasyonunun üç boyutlu olarak incelenmesi
Analyzing of three dimensional Brewer-Dobson circulation
Yazar: CEM ÖZEN
Danışman: DR. DENİZ DEMİRHAN BARI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Meteoroloji = Meteorology

Özet:
Brewer-Dobson sirkülasyonu (BDS), orta atmosferdeki (10-100km), ortalama kütle sirkülasyonudur ve tropikal stratosferde yukarı yönlü taşınım, polar enlemlerde ise aşağı yönlü taşınımla karakterize edilir. BDS, planeter dalgalar, sinoptik-ölçekli dalgalar ve gravite dalgaları tarafından harekete geçirilir. Ozon (O3), subuharı (H2O) ve diğer iz gazlarının tropiklerden polar enlemlere taşınmasını sağlar (Andrews ve diğ, 1987). Bilimsel yazında BDS genellikle zonal ortalamalar alınarak 2 boyutlu olarak incelenmiştir. 3 boyutlu BDS araştırmaları oldukça az sayıdadır.
Pek çok iklim modeli BDS'nin tropiklerdeki yukarı yönlü taşınımında on yılda %2'lik bir artışın olduğunu göstermektedir. Ancak tropik-dışındaki aşağı yönlü taşınımda modeller arasında önemi farklılıklar vardır. Yapılan gözlemler ise BDS'nin tropik-dışındaki yukarı yönlü hareketinde azalma olduğunu işaret etmektedir. Sonuçlardan anlaşılacağı gibi 2 boyutlu BDS'nin ortaya çıkan görüntüsünün yıllar içindeki değişimi çok kesin olarak bilimsel çalışmalarda gösterilememektedir.
Bu tezin amacı Kinoshita ve diğ. (2010) tarafından geliştirilen 3 boyutlu BDS formüllerini kullanarak, BDS'nin geçmişteki ve gelecekteki değişimlerinin incelenmesidir. Çalışmanın hareket noktası: deniz-kara farklılığına, orografiye ve okyanus akıntılarına bağlı olarak troposferdeki bölgesel değişikliklerin, tüm orta atmosferde güçlü zonal asimetrik dalga hareketleri meydana getirmesidir. 2 boyutlu yaklaşımda, zonal ortalamalar kullanıldığı için, zonal asimetrik dalgalar incelenememektedir. Bu nedenle 3 boyutlu BDS'deki uzun dönemli değişiklikler, 2 boyutlu yaklaşıma gore daha güçlü ve anlamlıdır. Yapılan çalışmalarda 3 boyutlu BDS'deki zonal asimetrilerin, durağan dalgaları ve orta atmosferdeki pek çok bileşenin bölgesel değişikliklerini büyük oranda etkilediği görülmüştür. Buna örnek olarak, subuharının ve ozonun zonal asimetrilerini vermek mümkündür. Bugüne kadar yapılan incelemelerde çok iyi anlaşılamamış olan subuharındaki zonal değişimlerin bu tez çalışmasında daha açık bir şekilde gösterilmesi hedeflenmiştir. Bunların yanısıra 3 boyutlu BDS, troposferdeki durağan dalgaları ve bölgesel değişiklikleri de etkiler. Stratosferik ozondaki ve subuharındaki durağan, tekil-dalgaların radyatif etkilerinin (büyük oranda 3 boyutlu BDS tarafından üretilir), stratosferik ve troposferik sirkülasyonu belirgin bir şekilde değiştirebilmesi buna örnek olarak verilebilir. Durağan dalgalar bölgesel iklim değişikliğinin pek çok bileşenini büyük oranda kontrol eder fakat model simülasyonlarındaki ağırlığı yeterli değildir (Boer ve Lambert, 2008; SPARC CCMVal, 2010). 3 boyutlu BDS'nin incelenmesi durağan dalgaların etkisinin de yeterince göz önüne alınmasını sağlayarak, iklim modellerindeki eksikliğin giderilmesine yardımcı olabilir. 
Çalışmada karşılaştırmalı olarak 2 farklı veri seti kullanılmıştır. Bunlardan ilki Karşılaştırmalı İklim Modelleme Projesi 5. Fazı çerçevesinde (CMIP5) hazırlanan 2100 yılına kadar olan tahminlerdir. Diğeri ise, European Centre of Medium Weather Forecasts (ECMWF) tarafından sağlanan, ERA-Interim re-analiz verisidir (ERA-Interim 1979-2012).
Bu araştırmanın sonucunda, Kinoshita ve diğ. (2010) tarafından geliştirilmiş üç boyutlu dönüştürülmüş eulerian denklerimlerinin, Brewer-Dobson sirkülasyonunun boylamsal ve orta atmosferdeki bölgesel uzun dönemli değişimlerini incelemek için uygun bir yöntem olduğu anlaşılmıştır. Daha önce çeşitli araştırmacılar tarafından yapılmış zonal (boylamsal) ortalama Brewer-Dobson sirkülasyon çalışmalarında zonal asimetrik yapı tespit edilemediğinden, bu çalışmada kullanılan üç boyutlu dönüştürülmüş eulerian denklemlerinin, zonal, meridyonel ve düşey atmosferik taşınım verilerinin zonal asimetrik yapısını incelerken kullanılmasının önemi ortaya çıkmıştır. Ayrıca modellerde yer alan zonal ortalama zonal rüzgarlar, yeterince doğru sonuçlar üretmemektedir. Çünkü bu zonal ortalama rüzgarlar, daha az kararlı bir polar vorteksin varlığını işaret etmektedirler. Oysa zonal asimetrik olarak incelediğimizde oldukça kararlı bir vorteksin olduğu ortaya çıkmaktadır. Brewer-Dobson sirkülasyonunun aşağı yönlü düşey taşınım yapan kolu olan stratosferdeki polar vorteks 2075 ve 2099 yılları arasında, 2006 ve 2013 yıllarına göre %50 oranında bir artışla şiddetlenecektir. Bu şiddetlenme atmosferik sera gazlarının kutup enlemlerinde yukarı stratosferden, yukarı troposphere doğru taşınımının da artmasına neden olacaktır.
Bu yüksek lisans tez çalışması, bursiyer öğrenci olarak çalıştığım 113Y545 numaralı TÜBİTAK 3001 – Başlangıç Ar-Ge Projeleri Deskteleme Programı'nda, "Brewer-Dobson sirkülasyonunun geçmiş ve gelecek değişimlerinin iklime etkisinin 3 boyutlu olarak incelenmesi" isimli projenin amaç ve sonuçlarını içermektedir. TÜBİTAK'a desteklerinden dolayı teşekkür ederim.

Abstract:
The stratospheric meridional mass circulation, also known as the Brewer-Dobson circulation (BDC), describes the time-mean transport of air masses from the tropics to midlatitudes and polar regions and is usually formulated in the zonal mean two-dimensional (2-D) framework of the transformed Eulerian mean (TEM) equations. The TEM equations include the effect of both the zonal mean Eulerian wind components and the zonal mean eddy fluxes on the time-mean transport, which leads to the approach of the 2-D residual circulation representing the zonal mean transport of important atmospheric constituents such as ozone (O_3) and water vapor (H_2 O). However, the zonal mean approach excludes longitudinal variability in the residual circulation and its effect on the zonally asymmetric structures of O_3 and H_2 O. 
The transformed Eulerian-mean (TEM) equations are useful in examining how the generation and dissipation of atmospheric waves drives the mean meridional circulation. However, the TEM equations do not provide a three-dimensional view of the transport. Several previous studies extended the TEM equation system to three dimensions but usually under the quasi-geostrophic assumption, which excludes small-scale phenomena such asgravity waves. Recently, Kinoshita et al., (2010) formulated an extended three-dimensional (3-D) residual circulation including the effect of time-mean 3-D eddy fluxes, based on earlier works of Hoskins et al. at 1983, Plumb at 1985, 1986 and Trenberth at 1986. Alternatively, longitudinal variations in the transport of important trace gas constituents such as O_3 can be examined in the framework of isentropic coordinates, but the 3-D residual approach provides a more detailed understanding of the wave-driving processes. Following the suggestions of Kinoshita et al. (2010), it has been applied the approach of the 3-D residual circulation on different data sets to improve our understanding of the 3-D aspects of the time-mean transport of air masses and trace gas constituents in the northern middle atmosphere. In this thesis, the 3-D residual circulation approach is applied for the northern winter stratospheric and mesospheric circulations.
The stratospheric Brewer-Dobson circulation (BDC) has become a topic of increased importance in climate science as we grow to better understand its role in natural climate variability, including tropical-polar coupling, and its potential role in the atmospheric response to increasing greenhouse gases. The Brewer-Dobson circulation (BDC) denotes the time-mean mass circulation of the middle atmosphere (10-100km), and is characterized by upwelling in the tropical stratosphere, and downwelling at polar latitudes. 
The BDC is driven by planetary waves, synoptic-scale waves and gravity waves, and transports ozone O_3, water vapour H_2 O and other trace gas constituents from the tropics to polar latitudes. Usually the BDC is examined in a zonal-mean (2D) framework, whereas examinations of the three-dimensional (3D) BDC are very sparse. The long-term evolution of the 2D BDC in a changing climate and its interaction with stratospheric O_3 is an important issue of current research. Most of the models indicate an increase of the upwelling of the constituents in the tropics (~2% per decade), but the trends of the extra-tropical downwelling strongly differ among the models.  On the other hand, the observations indicate a decrease of the upwelling. In summary, the resulting picture of the changes of the 2D BDC through the years hasn't been explained precisely by the scientific studies. 
The aim of the project is to investigate the past and future changes of the 3D BDC based on the 3D residual circulation formulated by Kinoshita at 2010. It is motivated by the following considerations: The regional differences in tropospheric wave activity due to land-sea contrasts, orography and ocean currents suggest strong zonal asymmetries of the wave driving in the whole middle atmosphere. In 2D approach zonal means are used so zonally asymmetric wave flow cannot be investigated using 2D approach. Therefore, the long-term changes in the 3D BDC would expected to be stronger and more significant than those identified by the 2D approach. Hence the long term variability in 3D BDC is expected to be stronger and more significant than 2D approach.
The zonal asymmetries in the 3D BDC might largely determine the stationary waves and local changes of various quantities in the middle atmosphere, e.g., the observed local ozone trends which are different from the zonal mean and not fully understood. The 3D BDC might also affect stationary waves and local changes in the troposphere. For example, the radiative effects of the stationary wave-one in stratospheric O3 (largely produced by the 3D BDC) can significantly alter the stratospheric and tropospheric circulation, and wind-driven ocean currents. Stationary waves largely control various aspects of regional climate change but their amplitudes are too weak in the model simulations. An examination of the 3D BDC might help to improve this deficiency. Additionally, to understand the 3D ozone transport in the middle atmosphere and its effect on the climate thoroughly will help us in projecting the future changes in the climate of our country.
In this study, 2 different datsets will be used comparatively. These are; the consortia simulations with the Earth-System Model MPI-ESM for the time period 1960-2005 and in addition to that and the projections up to 2100, performed in the framework of the Climate Modelling Intercomparison Project Phase 5, CMIP5. Additionally, the ERA-Interim reanalysis data (1979-2012) provided by the European Centre of Medium Weather Forecasts (ECMWF) will be used.
The results obtained by the completion of this study is going to be very useful for the future Brewer-Dobson circulation and climate model studies. The main result of this study is 3D BDC formulations are successful in building up the knowledge of zonal asymmetries of the polar vortex. Besides, a branch of BDC, after crossing the pole, starts to decsend over the Siberia where Polar low is found. On the other hand, polar vortex at the stratosphere will extend its effect towards the troposphere at 10 km between the years 2075-2099, and thus the rate of downward ozone transport at this region will increase. 
The results obtained at the end of the study suggest that 3-D Eulerian equations might be incorporated into the climate models and used in the climate predictions. Eventually they will help the better identification of stationary wave components and the wave-1 structure comprising the advection of the ozone and water vapor within the stratosphere.
This study contains whole results and aim of the TUBITAK 3001 project which I have studied as scholarship student and titled as "Analysis of Impact of Three Dimensional Brewer Dobson Circulation to the Climate". I would like to thank TUBITAK for the support.