The Role of Upper-Troposphere and Stratosphere Ozone in the Tropical Temperature Bias and Extratropical Predictability in the Operational Models

Abstract

상부대류권과 하부성층권 지역은 적도 지역에서 약 14~20 km, 중∙고위도 지역에서는 약 8~20 km 범위에 해당한다. 이 지역은 성층권과 대류권 양 방향의 물질 교환이 이루어지고, 불규칙한 혼합이 발생하여 오존과 같은 화학조성 추정의 불확실성이 크다. 이는 화학 모형이나 기후모형의 오존과 기온 편차 등으로 나타나 모델 예측의 신뢰도뿐만 아니라 전지구 복사 수치에도 큰 영향을 미칠 수 있다. 그러나 대부분의 모델에서는 기후값 오존을 사용하기 때문에 오존의 변동성을 반영하지 못하고 극지역 및 적도 오존 농도를 과대 또는 과소 처방하게 된다. 따라서 모형에서 오존의 중요성을 평가하기 위해 기온 편차와 예측성 측면으로 분리하여 살펴보았다. 첫번째로 영국 기상청 통합모델 기반(AMIP)으로 관측 오존을 이용하여 적도 대류권계면 지역의 기온 편차에 오존의 중요성을 평가하였다. 장기 적분 결과 다른 모델들과 마찬가지로 약 70 hPa 부근의 적도 성층권에서 한랭 편차, 적도 대류권계면에서 약 2 K 가량의 온난 편차 및 성층권 대부분의 지역에서 습윤 편차가 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 현업모델에서 사용되는 오존(SPARC)과 관측 오존 자료를 비교한 결과 적도 대류권계면에서 관측에 비해 모델에서 사용하는 오존이 약 40% 가량 많이 존재하였다. 따라서 모델 오존 자료 대신 관측 오존으로 처방한 결과 성층권의 한랭 편차와 적도 대류권계면 부근의 온난 편차가 크게 감소함을 확인하였다. 이는 모델에 비해 관측의 오존량이 감소함에 따라 성층권에 도달하는 장파복사 증가에 의한 것이다. 또한 오존의 배경장 변화에 따라 2차 순환에 의해 극지역의 한랭 편차도 줄어들었다. 오존에 의한 기온 변화는 성층권 습윤 편차도 크게 감소시켰다. 이는 정확한 오존 처방이 모델 수행에 있어서 중요하다는 것을 시사한다. 두 번째로 적도 대류권계면에서 개선된 정적 안정도 변화가 대표적인 성층권과 대류권 커플링 중 하나인 성층권 준 2년주기 진동과 매든-줄리안 진동에 미치는 영향을 살펴보았다. 현업 GloSea5 예측 모형을 이용하여 기후값 오존과 동서 방향의 바람이 동풍 편차인 2006년 사례의 오존을 처방하여 오존-복사 피드백이 대류권에 미치는 영향을 분석한 결과, 해당 연도의 관측 오존을 처방한 경우 관측에 비해 과소 모의되었으나 초기화 후 20일 이후 적도 대류권계면 지역에서 0.4~0.5 K 정도로 약 17%가량 개선되었다. 그러나 두 실험 간의 매든-줄리안 진동의 대류, 진폭과 위상에서는 큰 차이를 볼 수 없었다. 이 연구에서 성층권 준2년주기진동과 매든-줄리안 진동의 상관성을 설명하지 못하는 이유는 성층권 준 2년주기 진동에 대한 하부 성층권 기온 반응의 위치가 제대로 모의되지 않은 것과 관측에 비해 모델에서 매든-줄리안 진동의 대류 자체를 조직화하지 못했기 때문인 것으로 추정된다. 세 번째로 성층권과 대류권 커플링에 있어 남반구 봄철 성층권 오존이 계절 내 규모의 예측성 향상에 미치는 영향을 살펴보았다. 2004년부터 2020년 기후값 오존과 매년 변동하는 오존을 처방하여 매년 9월 1일 초기화 한 결과 두 실험 모두 대류권에서는 몇 주 동안 예측성이 나타나지 않았으나, 약 한달 후 대류권에서 예측성이 다시 나타나는 것을 확인하였다. 성층권과 대류권의 역학적인 커플링에 의해서 발생하는 예측성의 재 출현은 매년 변동하는 오존을 처방한 경우 좀 더 빨리 강하게 나타났다. 또한 대류권뿐만 아니라 지표면의 예측성 또한 향상됨을 확인하였다.

A systematic warm bias in the tropical tropopause layer (TTL) is commonly found in both climate and numerical weather prediction models. In this study, the nature of this temperature bias is examined by integrating the MetOffice Unified Model (MetUM) with various ozone concentrations in the TTL. Like other models, the long-term integration of MetUM with the Atmospheric Model Intercomparison Project (AMIP) configuration shows a notable warm bias (~2 K) in the TTL with a comparable cold bias in the tropical stratosphere above ~70 hPa. We demonstrate that these biases are particularly sensitive to the tropical ozone concentration prescribed in the model. By replacing the background ozone, which is typically used for AMIP-type simulations, with the Southern Hemisphere ADditional OZonesondes (SHADOZ) measurements or the Binary Data Base of Profiles (BDBP), the dipolar temperature biases in the TTL and tropical stratosphere are significantly reduced. Further sensitivity tests show that the tropical ozone amount in a 14–20 km layer is a key contributor to this change. These results suggest that accurate ozone forcing in the TTL is crucial for reliable weather and climate simulations. Recent studies have shown that Madden-Julian Oscillation (MJO) is modulated by Quasi-Biennial Oscillation (QBO) during the boreal winter; MJO becomes more active and predictable during the easterly phase of QBO (EQBO) than the westerly phase (WQBO). Despite growing evidences, climate models fail to capture the QBO MJO connection. One of the possible reasons is a weak static stability change in the upper troposphere and lower stratosphere (UTLS) by neglecting QBO-induced ozone change in the model. Here, we investigate the possible impact of the ozone– radiative feedback in the tropical UTLS on the QBO-MJO connection by integrating the Global Seasonal Forecasting System 5 (GloSea5) model. A set of experiments are conducted by prescribing either the climatological ozone or the observed ozone at a given year for the EQBO-MJO event in January 2006. The realistic ozone improves the temperature simulation in the UTLS. However, its impacts on the MJO are not evident. The MJO phase and amplitude do not change much when the ozone is prescribed with observation. While it may suggest that the ozone-radiative feedback plays a rather minor role in the QBO-MJO connection, it could also result from model biases in UTLS temperature and not-well organized MJO in the model. Antarctic ozone has been regarded as a major driver of the Southern Hemisphere (SH) circulation change in the recent past. Here, we show that Antarctic ozone can also affect the subseasonal-to-seasonal (S2S) prediction during the SH spring. Its impact is quantified by conducting two reforecast experiments with GloSea5. Both reforecasts are initialized on September 1st of each year from 2004 to 2020 but with different stratospheric ozone: one with climatological ozone and the other with year-to-year varying ozone. The reforecast with climatological ozone, which is common in the operational S2S prediction, shows the skill re-emergence in October after a couple of weeks of no prediction skill in the troposphere. This skill re-emergence, mostly due to the stratosphere-troposphere dynamical coupling, becomes stronger in the reforecast with year‐to‐year varying ozone. The surface prediction skill also increases over Australia. This result suggests that a more realistic stratospheric ozone could lead to improved S2S prediction in the SH spring.