the tropical tropopause layer - nasa...the tropical tropopause layer a. e. dessler, c. m. alcala...
TRANSCRIPT
![Page 1: The tropical tropopause layer - NASA...The tropical tropopause layer A. E. Dessler, C. M. Alcala Earth System Science Interdisciplinary Center University of Maryland S. C. Sherwood](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042921/5f68ce944c727e795613c83d/html5/thumbnails/1.jpg)
The tropical tropopause layer
A. E. Dessler, C. M. AlcalaEarth System Science Interdisciplinary Center
University of Maryland
S. C. SherwoodDept. of Geology and Geophysics
Yale University
![Page 2: The tropical tropopause layer - NASA...The tropical tropopause layer A. E. Dessler, C. M. Alcala Earth System Science Interdisciplinary Center University of Maryland S. C. Sherwood](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042921/5f68ce944c727e795613c83d/html5/thumbnails/2.jpg)
Brewer, A.W., Evidence for a world circulation provided by the measurements of helium and water vapour distribution in the
stratosphere, Q. J. R. Meteorol. Soc., 1949.
Very low water vapor
16 km
TropopauseDehydration
8 km
Pole Equator Pole
![Page 3: The tropical tropopause layer - NASA...The tropical tropopause layer A. E. Dessler, C. M. Alcala Earth System Science Interdisciplinary Center University of Maryland S. C. Sherwood](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042921/5f68ce944c727e795613c83d/html5/thumbnails/3.jpg)
Theories of TTL processes
• Slow ascent
• Convective dehydration
![Page 4: The tropical tropopause layer - NASA...The tropical tropopause layer A. E. Dessler, C. M. Alcala Earth System Science Interdisciplinary Center University of Maryland S. C. Sherwood](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042921/5f68ce944c727e795613c83d/html5/thumbnails/4.jpg)
Atmospheric Structure
300280260240220200
Temperature (K)
50
40
30
20
10
0
Altitude (km)
Tropopause
Troposphere
Stratosphere
convection
Slow Ascent
TropicalTropopauseLayer
![Page 5: The tropical tropopause layer - NASA...The tropical tropopause layer A. E. Dessler, C. M. Alcala Earth System Science Interdisciplinary Center University of Maryland S. C. Sherwood](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042921/5f68ce944c727e795613c83d/html5/thumbnails/5.jpg)
The stratospheric “drain”
Sherwood, S.C., A stratospheric "drain" over the maritime continent, Geophys. Res.Lett., 2000.
![Page 6: The tropical tropopause layer - NASA...The tropical tropopause layer A. E. Dessler, C. M. Alcala Earth System Science Interdisciplinary Center University of Maryland S. C. Sherwood](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042921/5f68ce944c727e795613c83d/html5/thumbnails/6.jpg)
Constraints
Positive or negative?Water-ozone correlation
HDO: -679±20 per mil,H2Q: -128±31 per mil[Johnson et al., 2001]
Isotopic abundance of HDO and H2Q
3.85 ppmv ( ±5%) in the mid 1990s[Dessler and Kim, 1999, SPARC Water Vapor Assessment, 2000]
Water vapor entering the stratosphere
![Page 7: The tropical tropopause layer - NASA...The tropical tropopause layer A. E. Dessler, C. M. Alcala Earth System Science Interdisciplinary Center University of Maryland S. C. Sherwood](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042921/5f68ce944c727e795613c83d/html5/thumbnails/7.jpg)
Randel et al., JGR, 2001
January
![Page 8: The tropical tropopause layer - NASA...The tropical tropopause layer A. E. Dessler, C. M. Alcala Earth System Science Interdisciplinary Center University of Maryland S. C. Sherwood](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042921/5f68ce944c727e795613c83d/html5/thumbnails/8.jpg)
Randel et al., JGR, 2001
July
![Page 9: The tropical tropopause layer - NASA...The tropical tropopause layer A. E. Dessler, C. M. Alcala Earth System Science Interdisciplinary Center University of Maryland S. C. Sherwood](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042921/5f68ce944c727e795613c83d/html5/thumbnails/9.jpg)
Chemistry
• Mix of troposphere and stratosphere• O3 is produced by both photolysis and
HOx+NOx• CO is destroyed by oxidation
– CO & O3: photochemical clock (e.g., Weinstock et al., 2001)
• CH4 and N2O are essentially inert
![Page 10: The tropical tropopause layer - NASA...The tropical tropopause layer A. E. Dessler, C. M. Alcala Earth System Science Interdisciplinary Center University of Maryland S. C. Sherwood](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042921/5f68ce944c727e795613c83d/html5/thumbnails/10.jpg)
Theories of Dehydration
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
Tropopause
14 km, 355 K
18 km, 420 KStratosphere
Troposphere
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
Tropopause
14 km, 355 K
18 km, 420 KStratosphere
Troposphere
Cold Pool
ConvectiveDehydration
“Cold Trap”Dehydration
![Page 11: The tropical tropopause layer - NASA...The tropical tropopause layer A. E. Dessler, C. M. Alcala Earth System Science Interdisciplinary Center University of Maryland S. C. Sherwood](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042921/5f68ce944c727e795613c83d/html5/thumbnails/11.jpg)
Isotope fundamentals
• R=[HDO]/[H2O]• delta D = 1000(R/Ro-1)• Only changes in HDO relative to H2O
change these values• Condensation preferentially reduces HDO
![Page 12: The tropical tropopause layer - NASA...The tropical tropopause layer A. E. Dessler, C. M. Alcala Earth System Science Interdisciplinary Center University of Maryland S. C. Sherwood](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042921/5f68ce944c727e795613c83d/html5/thumbnails/12.jpg)
Isotopic Constraint
50 100 150 200 250delta O18
200
400
600
800
1000delta D
Johnson et al., Isotopic composition of stratospheric water vapor: Implications for transport, J. Geophys. Res., 2001.
Keith, D.W., Stratosphere-Troposphere exchange: Inferences from the isotopic composition of water vapor, J. Geophys. Res., 2000.
Moyer et al., ATMOS stratosphericdeuterated water and implications for troposphere-stratosphere transport, Geophys. Res.Lett., 1996.
150 hPa
200 hPa
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������Tropopause
14 km, 355 K
18 km, 420 KStratosphere
Troposphere
Cold Pool
![Page 13: The tropical tropopause layer - NASA...The tropical tropopause layer A. E. Dessler, C. M. Alcala Earth System Science Interdisciplinary Center University of Maryland S. C. Sherwood](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042921/5f68ce944c727e795613c83d/html5/thumbnails/13.jpg)
Theories of Dehydration
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
Tropopause
14 km, 355 K
18 km, 420 KStratosphere
Troposphere
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
Tropopause
14 km, 355 K
18 km, 420 KStratosphere
Troposphere
Cold Pool
ConvectiveDehydration
“Cold Trap”Dehydration
![Page 14: The tropical tropopause layer - NASA...The tropical tropopause layer A. E. Dessler, C. M. Alcala Earth System Science Interdisciplinary Center University of Maryland S. C. Sherwood](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042921/5f68ce944c727e795613c83d/html5/thumbnails/14.jpg)
Temperature profiles
300280260240220200Temp (K)
8
9
100
2
3
4
5
6
7
8
9
1000
P (hPa)
-8 -4 0Adiabat-Env (K)
8
9
100
2
3
4
5
6
7
8
9
1000
P (hPa)
12 4 6 8
102 4 6 8
100
Saturation WV (ppmv)
Feb. 1995 sonde data, avg. between 10N and 10SPseudo-adiabatic profile lifted from 850 hPa
![Page 15: The tropical tropopause layer - NASA...The tropical tropopause layer A. E. Dessler, C. M. Alcala Earth System Science Interdisciplinary Center University of Maryland S. C. Sherwood](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042921/5f68ce944c727e795613c83d/html5/thumbnails/15.jpg)
Conservation Equation in the TTL∂ χ[ ]∂t
= Pχ − Lχ χ[ ]− Ý θ ∂ χ[ ]∂θ
−χ[ ]− χ[ ]PBL
τ
Transport due to slow ascent from mean stratcirculation
rapid vertical transport viaconvection of planetary boundary layer (PBL) air into the TTL with a transport time constant of τ.
Note: θ is potential temperature and Ýθ is the vertical velocity inθ coordinates
![Page 16: The tropical tropopause layer - NASA...The tropical tropopause layer A. E. Dessler, C. M. Alcala Earth System Science Interdisciplinary Center University of Maryland S. C. Sherwood](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042921/5f68ce944c727e795613c83d/html5/thumbnails/16.jpg)
Calculated mixing time, τ
80400τ (days)
380
375
370
365
360
355
Potential Temperature (K)
16
15
14
Approximate Altitude (km)
O3 CO
τ is the turnover time for the TTL due to convection.
The increase in τ with altitude is consistent with our view of the thermodynamics of the PBL.
Importantly, our results show that convection does influence thechemistry around the tropical tropopause
![Page 17: The tropical tropopause layer - NASA...The tropical tropopause layer A. E. Dessler, C. M. Alcala Earth System Science Interdisciplinary Center University of Maryland S. C. Sherwood](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042921/5f68ce944c727e795613c83d/html5/thumbnails/17.jpg)
Mass crossing the tropopause
1.00.80.60.40.20.0
Fraction crossing the 380-K surface
380
375
370
365
360
355
Potential Temperature (K)
16
15
14
Approximate Altitude (km)
O3 CO
Tropopause
This plot shows the fraction of mass that’s crossing the 380-K surface that detrained above each θ surface
As expected, virtually 100% of the mass detrained above 355 K.Surprisingly, 45-60% of the mass crossing the 380-K surfacedetrained above 370 K.
![Page 18: The tropical tropopause layer - NASA...The tropical tropopause layer A. E. Dessler, C. M. Alcala Earth System Science Interdisciplinary Center University of Maryland S. C. Sherwood](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042921/5f68ce944c727e795613c83d/html5/thumbnails/18.jpg)
A solution to the isotopic conundrum
• Johnson et al. [2001]• Imagine that air going into the stratosphere
comes through two pipes. 170 hPa, 210 K 80 hPa, 170 K
80 ppmv-690,-110
0.1 ppmv-980,-3005% 95%
4 ppmv-696,-114
“most of the moisture comes from convective outflow near 11 km, most of the air in the upper troposphere consists of dehydrated air from convective systems with cloud top temperatures below that of the mean tropical tropopause.”
![Page 19: The tropical tropopause layer - NASA...The tropical tropopause layer A. E. Dessler, C. M. Alcala Earth System Science Interdisciplinary Center University of Maryland S. C. Sherwood](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042921/5f68ce944c727e795613c83d/html5/thumbnails/19.jpg)
Conclusions• Dehydration and strat-trop exchange are different
processes• Air is transported to the TTL via convection; transported
out of the TTL via Brewer-Dobson circulation• Tracer data show
– Air detrains throughout the TTL– Positive and negative correlations with H2O
• Isotopic data show that air cannot be dehydrated along ONE path
This work was supported by a NASA New Investigator Program in Earth Science grant, an EOS IDS grant, and several ACMAP grants, all to the Univ. of Maryland. Useful conversations with many, many people are also acknowledged.