ENSO i jego wpływ na zmiany rotacji Ziemi oraz topografii oceanu Kosek Wiesław Centrum Badań Kosmicznych, PAN

Transkrypt

1 ENSO i jego wpływ na zmiany rotacji Ziemi oraz topografii oceanu Kosek Wiesław Centrum Badań Kosmicznych, PAN Środowiskowe Seminarium Fizyki Atmosfery, Wydział Fizyki UW 0 marzec 009

2 Definicja: El Niño (hiszp. mały chłopiec lub dzieciątko Jezus) jest zaburzeniem w systemie atmosferyczno oceanicznym lub czasową zmianą w klimacie okołorównikowego Pacyfiku.

3 Zjawisku El Niño o zawsze towarzyszą klęski żywiołowe: owe: Powodzie w Peru i Ekwadorze spowodowane obfitymi opadami deszczu we wschodnich rejonach Pacyfiku, Susze w Indonezji i Australii połączone z rozległymi pożarami lasów.

4 Ekonomiczne straty spowodowane przez El Niño El Niño 997/ mld $

5 Indices of El Niño o and Southern Oscillation Sea surface temperature difference (Nino+, Nino 3, Nino 4 and Nino 3.4). Southern Oscillation index has been calculated based on the differences in air pressure between Tahiti and Darwin, Australia. Nino+: 0-0 S, 80 W-90 W Nino3: 5 S-5 N, 90 W-50 W Nino3.4: 5 S-5 N, 0 W-70 W Nino4: 5 S-5 N, 60 E-50 W

6 Nino 3.4, SOI

7 month running mean of SST anomalies in the Niño 3.4 region (5N-5S, 0-70W) Nino

8 Widma amplitudowe wyznaczone metodą FTBPF o C 0.5 Nino+ Nino3 Nino4 Nino hp period (years) SOI period (years)

9 Czasowo-częstotliwościowe widma amplitudowe wyznaczone metodą FTBPF period (years) Nino SOI o C hp years

10 Historia obserwacji El Niño pomiar temperatury powierzchniowej oceanu ze statków pasażerskich i handlowych (ponad 00 lat), regularne pomiary temperatury powierzchniowej oceanu u wybrzeży Peru, pomiary ciśnienia i opadów na stacjach meteorologicznych Pacyfiku (stacja Darwin ponad 50 lat obserwacji), notatki osadników hiszpańskich sięgające XV wieku, dane dotyczące połowów od 76 roku, badania raf koralowych, badania grubości słojów drzew.

11 High and low index Prof. Gilbert Walker Wzrostowi ciśnienia zachodniego Pacyfiku towarzyszy spadek ciśnienia u wybrzeży wschodnich. High index ciśnienie wyższe na zachodnim wybrzeżu Pacyfiku, Low Index wyrównanie ciśnień po obu stronach Pacyfiku. (słabnięcie a nawet ustanie wiatrów wschodnich).

12 Warunkom low index zawsze towarzyszyły obfite opady deszczu na wyspach centralnej części Pacyfiku.

13 Prof. Jacob Bjerkne nes Ciepłe prądy oceaniczne El Niño, a także huśtawka ciśnień zwana Oscylacją Południową są częścią jednego zjawiska, które nazwał ENSO (El Niño Southern Oscillation).

14 Siała Coriolisa Siła Coriolisa powoduje, że na północnej i południowej półkuli przeważają wiatry zachodnie, Dla zachowania momentu pędu układu Ziemia+atmosfera Ziemia zwalnia swoją prędkość obrotową co powoduje powstawanie pozornego ruchu atmosfery w kierunku zachodnim w obszarach okołorównikowych.

15 Warunki normalne Wiatry wschodnie spychają powierzchniowe wody do zachodniej części Pacyfiku, We wschodniej części chłodniejsze wody z głębszych warstw wypływają na powierzchnię próbując zastąpić odpływającą wodę przesuwaną wiatrem na zachód.

16 Warunki normalne - upwelling Upwelling podpływanie zimnych wód we wschodniej części Pacyfiku co widoczne jest na zdjęciach satelitarnych wykonanych w podczerwieni.

17 Warunki normalne - termoklina Wiatry wschodnie i upwelling zmieniają profil temperaturowy wód Pacyfiku. Termoklina jest na mniejszej głębokości we wschodniej części Pacyfiku (ok. 50 m) niż w części zachodniej (ok. 00 m).

18 Warunki normalne - fitoplankton Zimna woda jest bogata w substancje organiczne, ze względu na większą zawartość tlenu. W obecności światła słonecznego fitoplankton wykorzystuje substancje organiczne do produkcji zielonkawej substancji zwanej chlorofilem.

19 La Niña W czasie normalnych warunków atmosferycznych może wystąpić zjawisko La Niña, które charakteryzuje się niższą niż zwykle temperaturą powierzchniową okołorównikowego Pacyfiku.

20 Początek El Niño o (ustawanie wiatrów w wschodnich) W czasie warunków normalnych wschodnia i centralna część Pacyfiku pozostaje bezdeszczowa. W momencie rozpoczynania się El Niño wschodnie wiatry ustają, woda spychana wcześniej tymi wiatrami powraca na wschód, we wschodniej części Pacyfiku mniejsze ilości chłodnej wody wypływają na powierzchnię.

21 Warunki El Niño Powietrze nad oceanem ogrzewa się i tworzą się chmury przynoszące opady deszczów, a strefa tych opadów i ciepła przemieszcza się z zachodniej do wschodniej części Pacyfiku, Ogrzane powietrze ma mniejszą gęstość co powoduje spadek jego ciśnienia, niższe ciśnienie na wschodzie Pacyfiku powoduje dalsze osłabienie wiatrów wschodnich. To sprzężenie zwrotne sprawia, że El Niño narasta.

22 Warunki El Niño - termoklina Napływ ciepłych wód powierzchniowych z zachodniej do wschodniej części Pacyfiku powoduje wyrównanie głębokości termokliny na całym Pacyfiku.

23 Warunki El Niño - upwelling Podniesienie temperatury powierzchniowej oceanu w centralnej i wschodniej części Pacyfiku może być obserwowane na zdjęciach satelitarnych wykonanych w podczerwieni.

24 SST: maximum El Niño w latach 98/83 i 997/98

25 Globalne skutki El Nino

26 Tropical Atmosphere Ocean Project

27 Tropical Atmosphere Ocean Project pomiary: prędkości wiatru, temperatury wody i powietrza, względnej wilgotności, opadów deszczu, promieniowania słonecznego (+ podczerwień), ciśnienia barometrycznego, zasolenia wody, prędkości prądów morskich. uśrednione co godzina i co dzień dane wysyłane są do NOAA w czasie prawie rzeczywistym

28 Zmiany poziomu oceanu powodowane przez El Niño Wzrost temperatury powierzchniowej oceanu powoduje spadek jego gęstości, Zmniejszenie gęstości oceanu powoduje zwiększenie jego objętości dlatego wzrasta poziom oceanu, Wzrost poziomu oceanu może zostać zaobserwowane za pomocą pomiarów mareograficznych lub altimetrii satelitarnej.

29 GLOSS GLOBAL SEA LEVEL OBSERVING SYSTEM Spośród ponad 700 wszystkich stacji mareograficznych ok. 90 tych stacji tworzy Global Core Network (GCN). Stacje rozmieszczone są prawie równomiernie w celu mierzenia względnych zmian poziomu oceanu. Niektóre z tych stacji wyposażone są w odbiorniki GPS w celu monitorowania pionowych ruchów skorupy ziemskiej. Dane GLOSS dostępne są ) University of Hawaii Sea Level Center, ) Permanent Service for Mean Sea Level 3) British Oceanographic Data Centre

30 ALTIMETRIA SATELITARNA Altimetria satelitarna jest technika radarową, w której krótkie impulsy fal radarowych emitowanych wzdłuż linii pionu odbijają się od powierzchni oceanu i odbierane są przez antenę odbiorczą znajdującą się na pokładzie satelity altimetrycznego. Hdyn = Hcomp - (Haltim + corr) (Hgeoid + err) Analiza pomiarów w pozwala na wyznaczenie odległości od satelity do chwilowej powierzchni oceanu. Pomiar wysokości altimetrycznej wraz z precyzyjnie wyznaczoną orbitą dostarczają wysokości oceanu w geocentrycznym układzie współrz rzędnych odniesienia co pozwala na badanie globalnych i regionalnych cyrkulacji oceanu, a także e wyznaczenie geoidy na obszarach oceanu. Geoida nie pokrywa się z chwilową powierzchnią oceanu a różnica r ta nazywana jest dynamiczną wysokości cią oceanu lub topografią oceanu:

31 Zastosowania altimetrii satelitarnej: zmiany poziomu oceanów, mórz, rzek i jezior, El Niño, La Niña, prądy morskie i cyrkulacja oceanu, pływy, model geoidy, wiatry, modele meteorologiczne, topografia pokrywy lodowej oraz jej zmiany.

32 Altimetric Satellites Skylab (May 973 Feb 974) h=435km i=50 GEOS 3 (Apr 975 Dec 978) h=845 km, i=5 Seasat A (Jun 978 Oct 978) h=800 km, i=08 Geosat (Mar 985 Sep 989) h=785km, i=08 ERS- (Jul 99- Mar 008) h=785 km, i=98 TOPEX/Poseidon (Aug 99 Jan 006) h=336 km, i=66 ERS- (Apr present) h=78 km, i=98 GFO- (Sep 996 Sep 006) h=800km, i=08 Jason (Dec 00 - present) h=337km, i=66 Envisat (Mar 00 - present) h=800km, i=98 Cryosat (destroyed on launch Oct 8 005) Jason (Jun 008 present) Cryosat (Nov ALTIKA (00 Sentimel 3 (after 0 -

33 Błąd wyznaczenia orbity w kierunku radialnym dla różnych satelitów altimetrycznych od 99.

34 TOPEX/Poseidon Poseidon (TOPografic EXperiment/Poseidon) altimeters 5.3 & 3.6 GHz, Launched 0 August 99, h=336 km, i=66 o, mas=500kg, footprint=.km, JGM3 gravity field model, CSR4.0 ocean tide model. Orbit determination: SLR DORIS GPS (TDRSS) - Tracking and Data Relay Satellite System

35 Jason Start 7 grudzień 00 (Boeing Delta II 790), H=337km, na tej samej orbicie co Topex/Poseidon 370km przed nim, Masa=500kg, footprint=.km

36 Siatka przelotów w T/P lub Jason- orbital period=.47min., cycle=9.956 dni = 54 orbital periods

37 Poprawki do pomiaru altimetrycznego: ze względu na pływ oceaniczny, odwrotnego barometru, ze względu na pływ bieguna ziemskiego, ze względu na lokalne nachylenie geoidy, troposferyczna, jonosferyczna, ze względu na pływ skorupy ziemskiej.

38 Globalny wzrost poziomu oceanu

39 ERS-

40 DANE: TOPEX/Poseidon Poseidon i JASON Sea Level Anomalies (SLA) o o ϕ <-65 o,65 o >, λ <0 o,359 o > - T/P: ( ) - Jason : ( )

41 Fourier Fourier Transform Transform Band Pass Band Pass Filter Filter (FTBPF) (FTBPF) 0 < = λ λ λ / / / / / / ), ( T t P t dla T t P t dla T t P t T P A FTBPF spectrum of a grid o o + =,, = m N m k T t u m N T S ), ( ) ( λ φ λ φ φ, λ - latidute and longitude of a grid ) ( T S λ φ, - Amplitude spectrum ( ) [ ] ), ( ) ( ), (,, T P A t x FT FT T t u = λ ϕ λ ϕ

42 N Sφ, λ ocean cm Mean FTBPF amplitude spectrum for entire ocean, ( T ) northern and southern hemispheres period (days) N S

43 Widma amplitudowe FTBPF danych SLA (T= 365, 8, 0, 90, 6, 30 dni) latitude days days days longitude cm days days days latitude cm

44 Widma amplitudowe FTBPF danych SLA (T= 8.6 dni)

45 Widma amplitudowe FTBPF danych SLA (T= 30 dni)

46 ) )exp(, ( ), ( 0 0 N n k i N n k i k k f n n F N n N n π π = = = ) )exp(, ( ), ( 0 0 N n k i N n k i n n F N N k k f N n N n π π + = = = )], ( ), ( [ ), ( ' v u A n n F FFT k k f = = otherwise v v u u for v v u u v u A 0, ) )( ( ), ( 0,,...,, 0,,... ),, ( Fourier Transform of disctrete D = = N k N k k k f

47 latitude SLA (996-Jul- and 997-Nov-0) of TOPEX/Poseidon and their D FT HPF results with cutoff wave numbers of 0.05, 0. and cm latitude cm longitude longitude

48 TOPEX/Poseidon SLA data filtered by the D FFT high pass filter with the cutoff wave number of 0.

49 SST prediction (Niedzielski and Kosek 008)

50 Wpływ El Niño na zmiany rotacji Ziemi W okresie El Niño następuje zahamowanie prędkości wiatrów wschodnich. W układzie zamkniętym jakim jest Ziemia z atmosfera całkowity moment pędu jest stały. Ustawanie wiatrów wschodnich powoduje spowolnienie prędkości obrotowej Ziemi gdyż Ziemia kręci się w kierunku wschodnim. Spowolnienie prędkości obrotowej Ziemi powoduje wzrost długości doby. Stephanic (98) zaobserwował po raz pierwszy korelację pomiędzy SOI a wieloletnimi zmianami w rotacji Ziemi.

51

52 Gambis, 99, Wavelet transform analysis of the length of day and the El Nino/Southern Oscillation variations at intraseasonal and interannual time scales, Ann. Geophysicae 0,

53 Dickey et al. 994, Angular momentum exchange among the solid Earth, atmosphere, and oceans: A case study of the El Nino event, JGR Vol. 99, No B,

54 Dickey et al. 994, cont.

55 Gross et al. 00, Modulation of Seasonal Cycle in Length-of of-day and Atmospheric angular Momentum, IAG Symposium 5

56 Gross et al. 00, cont.

57 Czasowo częstotliwo stotliwościowa koherencja: period (days) Morlet coherence: LODR, AAM chi years

58 Czasowo częstotliwo stotliwościowa koherencja: period (days) Morlet coherence: AAM chi3, SOI years

59 Czasowo częstotliwo stotliwościowa koherencja: period (days) Morlet Wavelet coherence LODR, SOI years

60 Y ˆ t+ = AY t ApYt p+ ε ( R) t Y t = t =,,.., n εaamχ3t Aˆ r, r =,,..., p p Multidimensional prediction - autoregressive order: ˆ - Estimates of Autoregression matrices, log det[( n 3p ) Cˆ] p + SBC( p) = ( )log( n p) = n p min Ĉ - Estimate of residual covariance matrix.

61 UTR-TAI UT-TAI UT-UTC - R - R LS model ε( - R) residuals & εaamχ3 residuals AAMχ3 AAMχ3 LS model LS AR MAR AR Prediction of - R - R LS extrapolation Univariate prediction of ε( - R) or εaamχ3 residuals OR Multivariate prediction of ε( - R) and εaamχ3 residuals Prediction of UTR-TAI Prediction of UT-TAI Prediction of UT-UTC

62 Comparison of LS, LS+AR and LS+MAR prediction errors of UT-UTC UTC and data (Niedzielski i Kosek 008) days in the future LS LS+AR LS+MAR UT-UTC ms ms/day YEARS LS LS+AR LS+MAR ms UT-UTC LS LS+AR LS+MAR days in the future days in the future

63 SST: 4 Dec. 008 Mar. 009

64 ETA: 4 Dec. 008 Feb.. 009

65