Study of the impact of a strotospheric intrusion event on tropospheric ozone and implications in future of climate change = Μελέτη της επίδρασης ενός επεισοδίου στρατοσφαιρικής εισβολής στο τροποσφαιρικό όζον και οι επιπτώσεις σε μελλοντικά σενάρια κλιματικής αλλαγής.

Περίληψη

In the present study, a synoptic and dynamic analysis of a stratospheric air intrusion episode into the troposphere in the Hohenpeissenberg region (47°48'N 11°0'E) on 26 January 2015 is initially conducted. A deep Stratosphere to Troposphere Transport (STT) event is presented, followed by an examination of its impact on tropospheric ozone levels in the study area. Of crucial importance is the reduction in the tropopause height, indicating the potential for a stratospheric intrusion to penetrate the troposphere, contributing to the downward transport of ozone. This intrusion results in the tropopause fold, leading to a continuous layer with discontinuities, termed dynamic tropopause, promoting the mixing of stratospheric and tropospheric air and consequently enhancing ozone levels in the troposphere, reducing water vapor, and increasing potential vorticity (PV) values. The synoptic analysis of this phenomenon describes an upper-level trough and a deep tropopause fold at 500 hPa. Disturbances in the upper troposphere, directly associated with positive PV anomalies, presuppose the use of PV for diagnosing synoptic processes. Tropopause folds are located at the entrance of subtropical jet streams and are determined by their intensity and position, mainly prevailing in subtropical zones based on the downward vertical extent of the stratospheric intrusion to a certain geopotential height. In the context of the development and implementation of the thesis, ozone measurements from the WOUDC ozonesonde and data from the Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS) were used, successfully reproducing the so-called “hook-shaped” streamer with ozone rich and dry air in the troposphere. In the second part of this study, an examination of the impact of climate change on tropospheric ozone and in the transport of stratospheric ozone to the troposphere is conducted using data from simulations by CMIP6 Earth system models under the SSP3-7.0 scenario. This takes into account global warming and the ozone impact near polluted areas according to future climate change scenarios. The role of anthropogenic emissions in the future is crucial, as an increase in ozone is observed in both polluted and unpolluted regions above the critical point in the coming decades. Climate change positively influences ozone in remote areas away from pollution sources but has negative effects only in regions close to polluted sources. Climate change due to intensified warming associated with jet stream activity 7 contributes to higher stratospheric ozone values due to the tropopause fold mechanism by the end of the 21st century in subtropical and polluted regions. The continuous and progressively increasing exposure to stratospheric ozone contributes to increased mortality attributable to ozone, owing to population growth and ageing.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιείται αρχικά συνοπτική και δυναμική ανάλυση ενός επεισοδίου εισβολής στρατοσφαιρικού αέρα στην τροπόσφαιρα στην περιοχή του Hohenpeissenberg (47°48'N 11°0'E), το οποίο συμβαίνει στις 26 Ιανουαρίου 2015. Παρουσιάζεται ένα γεγονός μεταφοράς αέρα από την στρατόσφαιρα προς την τροπόσφαιρα, ενώ στη συνέχεια μελετάται ποια ήταν η επίδραση του στα επίπεδα τροποσφαιρικού όζοντος στην περιοχή μελέτης. Καίριας σημασίας είναι η μείωση στο ύψος της τροπόπαυσης η οποία υποδηλώνει μια πιθανή στρατοσφαιρική εισβολή να διεισδύει στην τροπόσφαιρα συνεισφέροντας στην καθοδική μεταφορά όζοντος. Αυτή η εισβολή έχει ως συνέπεια την αναδίπλωση της τροπόπαυσης δηλαδή παρατηρείται ένα συνεχές στρώμα με ασυνέχειες στην τροπόπαυση, η οποία ορίζεται ως δυναμική τροπόπαυση, οδηγώντας σε ανάμειξη στρατοσφαιρικού και τροποσφαιρικού αέρα με αποτέλεσμα να προάγει την αύξηση στα επίπεδα όζοντος στην τροπόσφαιρα, την μείωση των υδρατμών και την αύξηση των τιμών δυναμικού στροβιλισμού (PV). Η συνοπτική ανάλυση αυτού του φαινομένου περιγράφεται από έναν αυλώνα (trough) και μια βαθιά αναδίπλωση της τροπόπαυσης στο ισοβαρικό επίπεδο των 500hpa. Οι διαταραχές στην ανώτερη τροπόσφαιρα οι οποίες είναι άμεσα συνυφασμένες με θετικές ανωμαλίες δυναμικού στροβιλισμού (PV) προϋποθέτουν τη χρήση του PV η οποία εφαρμόζεται για την διάγνωση συνοπτικών διεργασιών. Οι αναδιπλώσεις της τροπόπαυσης βρίσκονται στην είσοδο των υποτροπικών αεροχειμάρρων και καθορίζονται από την ένταση και τη θέση τους. Επικρατούν κυρίως στις υποτροπικές ζώνες σύμφωνα με την προς τα κάτω κατακόρυφη έκταση της στρατοσφαιρικής εισβολής έως κάποιο γεωδυναμικό ύψος. Στο πλαίσιο της εκπόνησης και της διεκπεραίωσης της διπλωματικής εργασίας χρησιμοποιήθηκαν μετρήσεις όζοντος από το WOUDC ozonesonde καθώς και δεδομένα από το Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS), τα οποία αναπαράγουν επιτυχώς την ονομαζόμενη “hook shaped” ροή πλούσιο σε όζον σε συνδυασμό με ξηρό αέρα στην τροπόσφαιρα. Στο δεύτερο μέρος της διπλωματικής εργασίας διεξάγεται μελέτη της επίδρασης της κλιματικής αλλαγής στο τροποσφαιρικό όζον και στην μεταφορά στρατοσφαιρικού όζοντος προς την τροπόσφαιρα με δεδομένα προσομοιώσεων από το CMIP6 Earth 9 system models υπό το σενάριο SSP3-7.0, λαμβάνοντας υπόψη την υπερθέρμανση του πλανήτη και το αντίκτυπο του όζοντος κοντά σε ρυπασμένες περιοχές σύμφωνα με το μελλοντικό σενάριο κλιματικής αλλαγής. Σημαντικός θεωρείται ο ρόλος των ανθρωπογενών εκπομπών στο μέλλον διότι παρατηρείται αύξηση του όζοντος σε μολυσμένες και μη περιοχές πάνω από το κρίσιμο σημείο (κατώφλι) στις επόμενες δεκαετίες. Ωστόσο η κλιματική αλλαγή επιδρά θετικά στο όζον σε απομακρυσμένες περιοχές από ρυπασμένες πηγές, ενώ επιδρά αρνητικά μόνο σε περιοχές κοντά σε ρυπασμένες πηγές. Η κλιματική αλλαγή σχετίζεται με τη δραστηριότητα του jet stream λόγω της εντονότερης θέρμανσης, συμβάλλει στην αύξηση των επιπέδων στρατοσφαιρικού όζοντος εξαιτίας του μηχανισμού αναδιπλώσεων της τροπόπαυσης μέχρι το τέλος του 21ου αιώνα στις υποτροπικές και μολυσμένες περιοχές. Η συνεχής και ολοένα αυξανόμενη έκθεση στο τροποσφαιρικό όζον συμβάλλει στην αύξηση της θνησιμότητας που αποδίδεται στο όζον εξαιτίας της αύξησης του πληθυσμού και της γήρανσης.