Zjawisko El Niño obserwacje, modelowanie i konsekwencje geodynamiczne Kosek Wiesław Centrum Badań Kosmicznych, PAN

Transkrypt

1 Zjawisko El Niño obserwacje, modelowanie i konsekwencje geodynamiczne Kosek Wiesław Centrum Badań Kosmicznych, PAN II Seminarium z cyklu NAUKA W SŁUŻBIE ZIEMI na temat Geodezja a współczesne problemy globalnej dynamiki Ziemi Wydział Geodezji i Kartografii Politechniki Warszawskiej 25 marzec 2009

2 Plan prezentacji Definicja El Niño Globalne skutki El Niño Indeksy Niño i ich analiza Historia obserwacji El Niño Mechanizm El Niño Obserwacje El Niño (TAO, pomiary mareograficzne, altimetria satelitarna) i analiza obserwacji altimetrycznych Wpływ El Niño na prędkość obrotową Ziemi Wnioski

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

4 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.

5 Susze w Australii od 1965 do 1994 roku

6

7 Globalne skutki El Niño

8 Ekonomiczne straty spowodowane przez El Niño El Niño 1997/ mld $

9 Indices of El Niño o and Southern Oscillation Sea surface temperature difference (Nino1+2, 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. Nino1+2: 0-10 S, 80 W-90 W Nino3: 5 S-5 N, 90 W-150 W Nino3.4: 5 S-5 N, 120 W-170 W Nino4: 5 S-5 N, 160 E-150 W

10 Nino 3.4, SOI

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

12 Widma amplitudowe wyznaczone metodą FTBPF o C 0.5 Nino1+2 Nino3 Nino4 Nino hp period (years) SOI period (years)

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

14 Historia obserwacji El Niño pomiar temperatury powierzchniowej oceanu ze statków pasażerskich i handlowych (ponad 100 lat), regularne pomiary temperatury powierzchniowej oceanu u wybrzeży Peru, pomiary ciśnienia i opadów na stacjach meteorologicznych Pacyfiku (stacja Darwin ponad 150 lat obserwacji), notatki osadników hiszpańskich sięgające XV wieku, dane dotyczące połowów od 1726 roku, badania raf koralowych, badania grubości słojów drzew.

15 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).

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

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

18 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.

19 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.

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

21 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. 200 m).

22 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.

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

24 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.

25 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.

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

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

28 SST: maximum El Niño w latach 1982/83 i 1997/98

29 Tropical Atmosphere Ocean Project

30 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

31 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.

32 GLOSS GLOBAL SEA LEVEL OBSERVING SYSTEM Spośród ponad 1700 wszystkich stacji mareograficznych ok. 290 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 1) University of Hawaii Sea Level Center, 2) Permanent Service for Mean Sea Level 3) British Oceanographic Data Centre

33 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:

34 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.

35 Satelity altimetryczne Skylab (May 1973 Feb 1974) h=435km i=50 GEOS 3 (Apr 1975 Dec 1978) h=845 km, i=115 Seasat A (Jun 1978 Oct 1978) h=800 km, i=108 Geosat (Mar 1985 Sep 1989) h=785km, i=108 ERS-1 (Jul Mar 2008) h=785 km, i=98 TOPEX/Poseidon (Aug 1992 Jan 2006) h=1336 km, i=66 ERS-2 (Apr present) h=781 km, i=98 GFO-1 (Sep 1996 Sep 2006) h=800km, i=108 Jason 1 (Dec present) h=1337km, i=66 Envisat (Mar present) h=800km, i=98 Cryosat 1 (destroyed on launch Oct ) Jason 2 (Jun 2008 present) Cryosat 2 (Nov ALTIKA (2010 Sentimel 3 (after

36 Błąd wyznaczenia orbity w kierunku radialnym dla różnych satelitów altimetrycznych od 1992.

37 TOPEX/Poseidon Poseidon (TOPografic EXperiment/Poseidon) altimeters 5.3 & 13.6 GHz, Launched 10 August 1992, h=1336 km, i=66 o, mas=2500kg, footprint=2.2km, JGM3 gravity field model, CSR4.0 ocean tide model. Orbit determination: SLR DORIS GPS (TDRSS) - Tracking and Data Relay Satellite System

38 Jason 1 Start 7 grudzień 2001 (Boeing Delta II 7920), H=1337km, na tej samej orbicie co Topex/Poseidon 370km przed nim, Masa=500kg, footprint=2.2km

39 Siatka przelotów w T/P lub Jason-1 orbital period=112.47min., 1 cycle= days = 254 orbital periods

40 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.

41 Globalny wzrost poziomu oceanu

42 ERS-2

43 DANE: TOPEX/Poseidon Poseidon i JASON 1 Sea Level Anomalies (SLA) 1 o 1 o ϕ <-65 o,65 o >, λ <0 o,359 o > - T/P: ( ) - Jason 1: ( )

44 Fourier Fourier Transform Transform Band Pass Band Pass Filter Filter (FTBPF) (FTBPF) 0 < = λ λ λ / / / / 2 / / 1 ), ( T t P t dla T t P t dla T t P t T P A FTBPF spectrum of a grid 1 o 1 o + =,, = m N m k T t u m N T S 1 2 ), ( 2 1 ) ( λ φ λ φ φ, λ - latidute and longitude of a grid ) ( 2 T S λ φ, - Amplitude spectrum ( ) [ ] ), ( ) ( ), (, 1, T P A t x FT FT T t u = λ ϕ λ ϕ

45 1 N 2Sφ, λ ocean cm Mean FTBPF amplitude spectrum for entire ocean, ( T ) northern and southern hemispheres period (days) N S

46 Widma amplitudowe FTBPF danych SLA (T= 365, 182, 120, 90, 62, 30 dni) latitude days days days longitude cm days days days latitude cm

47 Widma amplitudowe FTBPF danych SLA (T= dni)

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

49 SST prediction (Niedzielski and Kosek 2008)

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 (1982) zaobserwował po raz pierwszy korelację pomiędzy SOI a wieloletnimi zmianami w rotacji Ziemi.

51

52 Gambis, 1992, Wavelet transform analysis of the length of day and the El Nino/Southern Oscillation variations at intraseasonal and interannual time scales, Ann. Geophysicae 10,

53 Dickey et al. 1994, Angular momentum exchange among the solid Earth, atmosphere, and oceans: A case study of the El Nino event, JGR Vol. 99, No B12,

54 Dickey et al. 1994, cont.

55 Gross et al. 2001, Modulation of Seasonal Cycle in Length-of of-day and Atmospheric angular Momentum, IAG Symposium 125

56 Gross et al. 2001, 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 Comparison of LS, LS+AR and LS+MAR prediction errors of UT1-UTC UTC and data (Niedzielski i Kosek 2008) days in the future LS LS+AR LS+MAR UT1-UTC ms ms/day YEARS LS LS+AR LS+MAR ms UT1-UTC LS LS+AR LS+MAR days in the future days in the future

61 SST: 24 Dec Mar. 2009

62 ETA: 24 Dec Feb

63 Wnioski El Niño wpływa na wzrost poziomu oceanu w obszarach okołorównikowego wschodniego Pacyfiku oraz na wzrost długości doby Ziemskiej. Modelowanie zmian poziomu oceanu oraz zmian długości doby (lub czasu UT1-UTC) procesami autoregresji przyczynia się do zmniejszenia błędów prognozy tych zmian.