[論文レビュー] On the predictability of springtime ozone depletion events using the ECCC Global Deterministic Prediction System

J. de Grandpré, И. Н. Иванова+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2024

Atmospheric Ozone and ClimateEarth and Planetary Sciences被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、環境・気候変動カナダ局のグローバル決定論的予測システム（ECCC GDPS）にオゾン同定と簡略化された光化学反応系を組み合わせ、春期極域オゾン層の減少イベントの中期予報可能性を評価している。オゾン放射結合を組み込むことで、特に南極において、成層圏温度および風の予報が改善され、寒冷バイアスが低減し、極渦が強化され、10日を超える予報可能性が向上することが示された。

ABSTRACT

Ozone depletion events are recurring phenomena in both polar regions, characterized by significant interannual variability. In this study, the Environment and Climate Change Canada (ECCC) Global Deterministic Prediction System is used to investigate the medium-range predictability of ozone and weather throughout the anomalous polar ozone depletion events of 2020. The system includes ozone assimilation and makes use of a prognostic ozone field for the computation of heating rates. The ozone scheme uses simplified photochemical modules to represent the impact of both gas-phase and heterogeneous reactions throughout polar ozone depletion events. The study shows that during the Boreal and Austral spring seasons, the predictability of the total ozone column exceeds 10 days and is comparable to the predictability of large-scale weather variables. It also demonstrates that over both polar regions, the inclusion of ozone radiative coupling has a significant impact on the temperature and wind distributions throughout the stratosphere. Over Antarctica, the ozone coupled forecasts are systematically colder at all lead times, which helps eliminate a temperature bias present in the model using climatological ozone. The strength of the polar vortex also increases significantly throughout the lower stratosphere, in better agreement with zonal wind analyses. Over the Arctic the use of an ozone-interactive model also produces significant changes in the temperature and wind forecasts, but the impact on the quality of the weather forecasts is generally neutral. The study shows the overall benefits of using ozone coupled models in the highly perturbed springtime conditions of the polar regions.

研究の動機と目的

• 高上層大気モデルを用いた高分解能NWPシステムを用いて、北極および南極における春期オゾン層減少イベントの中期予報可能性を評価すること。
• 極端なオゾン減少イベント中におけるオゾン放射結合が、成層圏温度および風の予報に与える影響を評価すること。
• 予報的オゾンおよび簡略化された化学反応を用いることで、全オゾン層（TOC）および気象変数の予報にどの程度の改善が見られるかを定量すること。
• 初期オゾン解析の品質およびオゾン輸送の表現が、予報精度に与える寄与を特定すること。
• オゾン放射フィードバックが、極域成層圏における天気予報可能性に顕著に現れる時間スケールを同定すること。

提案手法

• 成層圏のダイナミクスを解像できるように、成層圏突き抜け上空を超える高上層モデルを備えたECCCグローバル決定論的予測システム（GDPS）を用いる。
• 2020年の極端なオゾン減少イベント期におけるオゾン初期場を正確に提供するため、オゾン同定を組み込む。
• オゾン減少期における気相反応および異相反応（例：PSC上での反応）を表現するため、簡略化された光化学モジュールを採用する。
• 予報的オゾン場を用いて放射加熱率を計算し、オゾンと温度場の間のフィードバックを可能にする。
• オゾン結合ありとオゾン気候学的設定の両方の予報を比較し、放射結合の影響を分離する。
• Ny-Alesundでの地上オゾンゾーンド観測データおよびOMI衛星観測データと照合し、結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中期予報NWPモデルは、両極域における春期オゾン層減少イベントを信頼性を持って予報できるか？
• RQ2 オゾン放射結合を組み込むことで、極端なオゾン損失発生時における成層圏温度および風の予報精度にどのような影響を与えるか？
• RQ3 予報的オゾンおよび簡略化化学を用いることで、全オゾン層（TOC）および気象変数のバイアスはどの程度低減されるか？
• RQ4 初期オゾン解析の品質とオゾン輸送の表現の両者の中で、予報精度に寄与する相対的な寄与度は何か？
• RQ5 オゾン損失に起因する放射フィードバックが、極域成層圏における天気予報可能性に顕著に現れる時間スケールは何か？

主な発見

• 北極および南極の両方の地域において、春期オゾン層減少イベント期の全オゾン層（TOC）の予報可能性は10日を超える。これは大規模な天気変数と同等の水準である。
• 南半球では、異相反応パラメータライゼーションを用いることで、8月および9月にTOCバイアスが約75％低減され、TOC予報可能性が約8時間向上した。
• 北半球では、同様の手法により2月および3月にTOCバイアスが約40％低減され、標準偏差のわずかな低減が見られた。
• オゾン放射結合は、下層成層圏における温度および西風の予報精度を顕著に向上させた：5日予報リードタイムで温度バイアスが約0.5 K低減され、南極では西風が約0.5 m/s増加した。
• 南半球の70 hPa層では、オゾン結合の導入により温度予報の予報可能性が約12時間向上し、放射光化学的フィードバックの解像度が向上したことが示された。
• 北極では、動的変動が強いことからオゾンの放射的影響は弱かったが、オゾン結合を組み込んだ予報は、気候学的オゾンを用いたものと比較して、短リードタイムでの温度バイアスを低減した。