Dynamical processes in the stratosphere and upper troposphere and their influence on the distribution of trace gases in the polar atmosphere

Transport plays an important role in the distribution of long-lived gases such as ozone and water vapour in the atmosphere. Understanding of observed variability in these gases as well as prediction of the future changes depends therefore on our knowledge of the relevant atmospheric dynamics. This dissertation studies certain dynamical processes in the stratosphere and upper troposphere which influence the distribution of ozone and water vapour in the atmosphere. The planetary waves that originate in the troposphere drive the stratospheric circulation. They influence both the meridional transport of substances as well as parameters of the polar vortices. In turn, temperatures inside the polar vortices influence abundance of the Polar Stratospheric Clouds (PSC) and therefore the chemical ozone destruction. Wave forcing of the stratospheric circulation is not uniform during winter. The November-December averaged stratospheric eddy heat flux shows a significant anticorrelation with the January-February averaged eddy heat flux in the midlatitude stratosphere and troposphere. These intraseasonal variations are attributable to the internal stratospheric vacillations. In the period 1979-2002, the wave forcing exhibited a negative trend which was confined to the second half of winter only. In the period 1958-2002, area, strength and longevity of the Arctic polar vortices do not exhibit significant long-term changes while the area with temperatures lower than the threshold temperature for PSC formation shows statistically significant increase. However, the Arctic vortex parameters show significant decadal changes which are mirrored in the ozone variability. Monthly ozone tendencies in the Northern Hemisphere show significant correlations (|r|=0.7) with proxies of the stratospheric circulation. In the Antarctic, the springtime vortex in the lower stratosphere shows statistically significant trends in temperature, longevity and strength (but not in area) in the period 1979-2001. Analysis of the ozone and water vapour vertical distributions in the Arctic UTLS shows that layering below and above the tropopause is often associated with poleward Rossby wave-breaking. These observations together with calculations of cross-tropopause fluxes emphasize the importance of poleward Rossby wave breaking for the stratosphere-troposphere exchange in the Arctic.

Kuljetuksella on tärkeä rooli otsonin ja vesihöyryn leviämisessä ilmakehässä. Siksi näiden kaasujen havaitun vaihtelun ymmärtäminen ja tulevaisuuden muutoksen ennustaminen vaatii tietoa asiaan vaikuttavasta ilmakehän dynamiikasta. Tämä väitöskirja tutkii eräitä otsonin ja vesihöyryn kuljetukseen liittyviä dynaamisia prosesseja stratosfäärissä ja ylemmässä troposfäärissä. Planetaariset aallot, jotka syntyvät troposfäärissä, säätelevät stratosfäärin meridionaalista kiertoliikettä, joka puolestaan kuljettaa sekä materiaa että lämpöä päiväntasaajalta korkeammille leveysasteille ja siten mm. vaikuttaa polaarivorteksin ominaisuuksiin. Vorteksin lämpötilat vaikuttavat vuorostaan polaaristratosfääripilvien runsauteen ja siten otsonikatoon. Aaltovaikutus stratosfäärin kiertoon vaihtelee talven aikana. Marras-joulukuun keskimääräinen stratosfäärin lämpövuo näyttää selkeitä merkkejä antikorrelaatiosta tammi-helmikuun keskimääräisen stratosfäärin ja tropospfäärin lämpövuon kanssa. Nämä vuodenaikavaihtelut ovat johdettavissa sisäisesta stratosfäärin värähtelystä. Aaltoaktiivisuus tarkastelukauden 1979-2002 aikana näytti tammi-helmikuussa negatiivista trendiä. Arktisen vorteksin pinta-ala, voimakkuus, ja kesto jakson 1958-2002 aikana eivät näyttäneet selkeitä merkkejä pitkäaikaisesta muutoksesta. Sen sijaan pinta-ala, jolla lämpötila on riittävän kylmä polaaristratosfääripilvien muodostumiselle, kasvoi tarkastelujaksolla hieman. Arktisen polaarivorteksin pitkäaikaiset muutokset muistuttavat otsonikerroksen muutoksia. Kuukausittain tarkasteltuna otsonitendenssit pohjoisella pallonpuoliskolla korreloivat selkeästi (|r|=0.7) stratosfäärin kiertoa edustavien muuttujien kanssa. Antarktisen alueella kevätaikainen polaarivorteksi jakson 1979-2001 aikana näyttää selkeää laskevaa lämpötilatrendiä. Vorteksin voimakkuus ja kesto olivat kasvussa, mutta vorteksin pinta-alassa ei havaita merkittävää muutosta. Otsonin ja vesihöyryn pystykuljetuksen analyysi Arktisessa ylätroposfäärissä ja alastratosfäärissä osoittaa että anomaaliset kerrokset tropopausin ala- ja yläpuolella usein liittyvät napasuuntaisen Rossby-aallon murtumiseen. Nämä havainnot sekä laskelmat kaksisuuntaisesta kuljetuksesta tropopaussin läpi osoittavat kuinka tärkeä merkitys napasuuntaisen Rossby-aallon murtumisella on stratosfääri-troposfäärivaihdossa arktisessa yläilmakehässä.