[논문 리뷰] On the predictability of springtime ozone depletion events using the ECCC Global Deterministic Prediction System

J. de Grandpré, И. Н. Иванова외 3명|arXiv (Cornell University)|2024. 10. 15.

Atmospheric Ozone and ClimateEarth and Planetary Sciences인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 환경 및 기후 변화 캐나다의 글로벌 결정론적 예측 시스템(ECCC GDPS)에 오존 혼합 및 단순화된 광화학 계획을 적용하여 봄철 극오존 감소 현상의 중기 예측 가능성을 평가한다. 오존 복사 결합을 포함함으로써 오존 감소가 심한 지역, 특히 남극에서 기상 온도 및 바람 예측이 향상되며, 냉각 오차가 감소하고 극대 순환이 강화되어 10일 이상의 예측 가능성이 향상됨을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고탑 NWP 시스템을 사용하여 북극과 남극에서 봄철 오존 감소 사건의 중기 예측 가능성을 평가하기 위해.
• 극심한 감소 사건 동안 성층권 온도 및 바람 예측에 대한 오존 복사 결합의 영향을 평가하기 위해.
• 예측 가능한 오존 및 단순화된 화학을 사용할 경우 총오존층두께(TOC) 및 기상 변수 예측의 향상 정도를 정량화하기 위해.
• 초기 오존 분석 품질과 오존 이동 표현 방식이 예측 정확도에 미치는 역할을 규명하기 위해.
• 오존 복사 피드백이 극지 성층권의 기상 예측 가능성에 영향을 미치기 시작하는 시간 스케일을 조사하기 위해.

제안 방법

• 성층권 동역학을 해석할 수 있도록 고탑 모델을 갖춘 환경 및 기후 변화 캐나다의 글로벌 결정론적 예측 시스템(GDPS)을 사용한다.
• 2020년 극심한 오존 감소 사건 동안 오존 분석을 정확하게 제공하기 위해 오존 통합을 통합한다.
• 오존 감소 기간 동안 기체상 반응 및 이종계면 반응(예: 고체성 구름 표면에서의 반응)을 표현하기 위해 단순화된 광화학 모듈을 사용한다.
• 예측 가능한 오존 필드를 사용하여 복사열 방출률을 계산함으로써 오존과 온도 필드 간의 피드백을 가능하게 한다.
• 오존 결합 및 오존 기후 모드 설정 간의 예측을 비교하여 복사 결합의 영향을 분리한다.
• Ny-Alesund 현장에서의 오존소운 데이터, OMI 위성 관측 및 GDPS 분석 결과를 기반으로 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중기 예측 모델이 북극과 남극 양 지역의 봄철 오존 감소 사건을 신뢰성 있게 예측할 수 있는가?
• RQ2 오존 복사 결합을 포함할 경우 극심한 오존 손실 기간 동안 성층권 온도 및 바람 예측 정확도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 예측 가능한 오존 및 단순화된 화학을 사용할 경우 총오존층두께(TOC) 및 기상 변수의 오차는 어느 정도 감소하는가?
• RQ4 예측 정확도에 기여하는 초기 오존 분석 품질과 오존 이동 표현 방식 중 어느 것이 더 중요한가?
• RQ5 오존 감소에 의한 복사 피드백이 극지 성층권 기상 예측 가능성에 영향을 미치기 시작하는 시간 스케일은 무엇인가?

주요 결과

• 북극과 남극 모두에서 봄철 오존 감소 사건 기간 동안 총오존층두께(TOC)의 예측 가능성이 10일 이상 초과되며, 이는 대규모 기상 변수와 유사하다.
• 남반구에서는 이종계면 화학 파라미터화가 8월과 9월에 TOC 오차를 약 75% 감소시키고, TOC 예측 가능성을 약 8시간 향상시켰다.
• 북반구에서는 같은 방식이 2월과 3월에 TOC 오차를 약 40% 감소시키며, 표준편차는 약간 감소시켰다.
• 오존 복사 결합은 하부 성층권의 온도 및 동서풍 예측을 크게 향상시켰다: 5일 예측 지속 시간에서 온도 오차는 약 0.5 K 감소하였고, 남극에서는 동풍이 약 0.5 m/s 증가하였다.
• 남반구에서 오존 결합을 통합함으로써 70 hPa에서 온도 예측 가능성이 약 12시간 증가하였으며, 이는 복사-광화학 피드백의 해상도 향상을 의미한다.
• 북극 지역에서는 대기역학적 변동성이 크기 때문에 오존의 복사 영향이 약했지만, 오존 결합 예측은 기후 모드 오존보다 짧은 예측 지속 시간에서의 온도 오차를 줄였다.