Analysis of factors variability of stratospheric temperatures.
Analyse des facteurs de variabilité de la température dans la stratosphère.
Résumé
The stratospheric processes play an important role in the climate system and addressing the issue of the impact of the stratosphere on climate is of fundamental importance to the scientific community. Observed long term changes in the stratosphere include increase of GHG (greenhouse gases), of lower stratospheric water vapour, decrease of stratospheric ozone and a systematic cooling of the stratosphere during the last two decades (1980-2000). This research was dedicated to the estimation of thermal and dynamical long term changes of the stratosphere and to the attribution of the causes, in particular the role of the ozone in the observed changes. The work was designed to cover the recent past (1980 to 2000), for which good data coverage exists; data analysis has then been coupled with GCM transient simulations to identify the role of the ozone decrease on the observed changes. Three datasets based on monthly-mean satellite and radio sounding product analysis have been considered: the TOVS/3I dataset gives a high resolution picture of the lower stratosphere on a short timescale, the FUB one has a lower resolution but is available for a longer period for the northern hemisphere; finally, the SSU/MSU dataset provides the entire vertical thermal structure of the stratosphere with a coarse vertical resolution (SSU/MSU). Stratospheric temperature trends for the period 1980-2000 have been determined using a multiple linear regression model (AMOUNTS) to separate the effect of the major sources of atmospheric temperature variability from a long-term linear trend. First, a detailed analysis of the impact of the factors of temperature variability is given: the stratospheric Quasi-Biennial Oscillation (QBO), the troposphere pattern of variability described by the El Nino Southern Oscillation (ENSO), the external solar variability and the low-frequency extra tropical mode of variability defined as the Arctic Oscillation. It has been found that the amplitude of the response of temperature to some of these forcing are of the same order of magnitude as the calculated trends. Temperature trends are then described as a function of altitude, latitude and season, showing an unambiguous general cooling of the stratosphere, with a maximum global-mean annual-mean cooling observed in the higher stratosphere northern hemisphere (of the order of 3 K/decade) which decreases in the middle stratosphere and increases again in the lower stratosphere (reaching 1 K/decade in global mean but strongly latitude-dependent). The analysis of temperatures permits also an indirect estimation of a weakening of the stratospheric mean circulation. To investigate the role of ozone change on stratospheric temperature and dynamical fields, two ensemble of GCM transient simulations have been considered (Unified Model, Met office and University of Reading); the first one, representing conditions prior to ozone depletion and the second one, including zonal and monthly mean ozone trends as input of the simulations (ozone run). They have been compared with observed trends. Results confirm the role of the ozone decreases in contributing to the temperature trends in the upper stratosphere (up to 60%) and lower stratosphere (up to 30%). While a general good agreement between observations and ozone run is found in the middle and upper stratosphere, in the lower stratosphere trends are however still underestimated by the ozone run very likely due to the effect of water vapour changes, not taken into account in the simulations. The spring Arctic cooling in the lower stratosphere is captured by the ozone run, but not entirely reproduced. Changes in the wave activity entering the lower stratosphere, estimated through the vertical component of the EP-flux, are also observed in the simulations.
On sait aujourd'hui que les processus stratosphériques jouent un rôle important dans le système climatique et leur étude est donc de grande importance pour la communauté scientifique. Les changements à long terme observés dans la stratosphère comprennent l'augmentation des gaz à effet de serre, de la vapeur d'eau, la diminution de l'ozone et un refroidissement systématique de cette région de l'atmosphère pendant les deux dernières décennies (1980-2000). Cette recherche est dédiée à la quantification des changements à long terme de la structure thermique et dynamique de la stratosphère et à l'attribution des causes des changements observés, et en particulier l'effet de la diminution de l'ozone stratosphérique. Le travail a été mené pour les vingt dernières années, où des mesures globales de la stratosphère existent; les analyses effectuées ont été ensuite couplées avec des simulations GCM pour quantifier le rôle de la diminution de l'ozone sur les changements à long terme observés. Trois bases de données (températures mensuelles) résultant d'analyses de données satellitaires et/ou de radiosondages ont été considérées : la base TOVS/3I fournit une description de la basse stratosphère à haute résolution spatiale pour une période de 8 ans; la base FUB a une résolution spatiale moins bonne mais est disponible pour une période plus longue; enfin, la base SSU/MSU couvre les vingt dernières années et surtout la totalité de la stratosphère, mais avec une résolution verticale plus faible. Un modèle de régression linéaire multiparamétrique, qui permet de séparer l'effet de la variabilité naturelle de la tendance à long terme, a été utilisé. Dans un premier temps, une analyse détaillée de l'impact des différents facteurs de variabilité de la température stratosphérique été réalisée. Les forçages considérés sont: l'Oscillation Quasi-Biennale (QBO), l'ENSO, la variabilité de 11 ans associée au cycle solaire, et le mode de variabilité extratropicale connu sous le nom d'Oscillation Arctique (AO). Nous montrons tout d'abord que l'amplitude de la réponse de la température à ces forçages peut être du même ordre de grandeur que les tendances calculées. Ensuite, les tendances de la température sont décrites en fonction de l'altitude, de la latitude et de la saison; elles montrent un refroidissement général de la stratosphère, avec une amplitude maximale en moyenne globale dans la haute stratosphère de l'hémisphère nord (de l'ordre de 3 K/décennie); le refroidissement se réduit dans la moyenne stratosphère pour atteindre 1 K/décennie en moyenne globale dans la basse stratosphère (mais avec une structure fortement dépendante de la latitude). L'analyse des températures nous permet aussi de mettre en évidence, de façon indirecte, un affaiblissement de la circulation moyenne de la stratosphère. Pour étudier le rôle de la diminution d'ozone stratosphérique sur les champs dynamiques et thermiques, nous avons enfin considéré deux ensembles de simulations GCM de type « transitoire »; en entrée des simulations, le premier ensemble considère les conditions prévalant avant la diminution de l'ozone, alors que le deuxième inclut les tendances d'ozone observées en moyenne zonale et mensuelle (dite « simulation ozone »). Les tendances de température simulées ont été comparées entre elles. Les résultats indiquent que la diminution de l'ozone stratosphérique est responsable du refroidissement observé à hauteur de 60% dans la haute stratosphère et de 30% dans la basse stratosphère. Si le refroidissement de la haute et moyenne stratosphère est bien reproduit par les simulations ozone, dans la basse stratosphère il est sous-estimé, très probablement à cause de l'effet des tendances de vapeur d'eau, qui n'ont pas été prises en compte dans les simulations. Le refroidissement pendant le printemps Arctique dans la basse stratosphère est observé, mais non complètement reproduit. Enfin, les simulations ozone indiquent une modification dans l'activité des ondes qui se propagent dans la basse stratosphère, observée à travers l'étude de la composante verticale du flux d'Eliassen-Palm.
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