DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-1021-2026
تاريخ النشر: 2026-01-21
المؤلف: Chengyun Yang وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأوزون الجوي والمناخ
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة مؤشرًا لدورة المحيط الهندي في منتصف العرض (MIOD) مستمدًا من وضع الدالة التوافقية التجريبية الثانية (EOF) لظواهر درجة حرارة سطح البحر (SST) في فصل الشتاء الأسترالي. باستخدام بيانات إعادة التحليل ERA5، والملاحظات الساتلية، ومحاكاة WACCM6، تبحث الدراسة في الاستجابات الجوية المرتبطة بـ MIOD. تكشف النتائج عن تأثيرات غير متكافئة كبيرة بين أحداث MIOD الإيجابية والسلبية، تتأثر بشكل أساسي بتغيرات في نشاط الموجات الكوكبية ذات الرقم الموجي 1. تعزز أحداث MIOD الإيجابية انتشار الموجات الكوكبية من المحيط الهندي، مما يؤدي إلى ترسيب الزخم، وتغيرات في درجة الحرارة، وتغيرات في الرياح الأفقية، وتقوية الدورة الهوائية المتبقية. تؤدي هذه التغيرات الديناميكية إلى ارتفاع درجات الحرارة في المناطق المتوسطة وتغيرات في الهيكل العمودي-المتجه للدوامة القطبية، بينما تسهل أيضًا امتداد إشارات SST إلى الأعلى في الميزوسفير.
تخلص الدراسة إلى أن ظواهر SST في المحيط الهندي تلعب دورًا حاسمًا في تعديل الدورة الهوائية والهيكل الحراري للغلاف الجوي الأوسط والعلوي خلال شتاء نصف الكرة الجنوبي. ترتبط أحداث MIOD الإيجابية باستجابات واضحة للموجات الكوكبية وزيادة تدفق إلياسن-بالما (EP) إلى الأعلى، مما يساهم في ارتفاع درجات الحرارة في الستراتوسفير وإعادة توزيع الأوزون. بالمقابل، تؤدي أحداث MIOD السلبية إلى إشارات جوية أضعف، تثير بشكل أساسي اضطرابات ذات أرقام موجية أعلى تبقى تحت مستوى التروبوسفير. تشبه الاستجابة الجوية لأحداث MIOD الإيجابية نمطًا سالبًا من نمط الدورة السنوية الجنوبية (SAM)، يتميز بضعف الدوامة القطبية وتعديلات أوسع في الدورة الهوائية. تؤكد الدراسة على أن الشذوذ المرتبط بـ MIOD يمتد إلى الميزوسفير، مما يشير إلى أن تقلبات SST في المحيط الهندي هي مساهم مهم في الديناميات الجوية على نطاق واسع، مكملة التأثيرات المعروفة مثل ظاهرة النينيو- oscillation الجنوبية (ENSO) والتذبذب شبه السنوي (QBO).
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور المهم للستراتوسفير في الربط العمودي بين الغلاف الجوي وتطور نظام المناخ، مع التأكيد على تأثيره على كل من الدورة الهوائية الاستوائية وغير الاستوائية من خلال عمليات إشعاعية وديناميكية مختلفة. تشير النتائج الرئيسية إلى أن الشذوذ الستراتوسفيري، وخاصة التغيرات في الدوامة القطبية، يمكن أن تنتشر إلى الأسفل لتعطيل الدورة الهوائية في التروبوسفير خلال 1-2 شهر. في نصف الكرة الجنوبي، تكون الاضطرابات الستراتوسفيرية ذات تأثير خاص، حيث تؤدي أحداث الاحترار المفاجئ في الستراتوسفير (SSW) إلى استجابات جوية مرتبطة عموديًا مدفوعة بتفاعلات الموجة-التدفق المتوسط.
تناقش هذه الفقرة أيضًا تأثير القوة الخارجية للمحيط، وخاصة التغيرات في درجة حرارة سطح البحر (SST) الاستوائية المرتبطة بظواهر مثل ظاهرة النينيو-oscillation الجنوبية (ENSO)، على العمليات الستراتوسفيرية. تشير إلى أن الشذوذ في SST في المحيطين الهندي والأطلسي تؤثر أيضًا على الديناميات الستراتوسفيرية، مع أنماط محددة مثل نمط حوض المحيط الهندي (IOBM) ودورة المحيط الهندي (IOD) التي تعدل كل من الدورة الهوائية في التروبوسفير والستراتوسفير. على الرغم من الأبحاث الواسعة حول تقلبات المحيط الهندي الاستوائي، تشير المقدمة إلى وجود فجوة في فهم تأثيرات الشذوذ في SST شبه الاستوائية على الديناميات الستراتوسفيرية، خاصة في نصف الكرة الجنوبي، الذي يهيمن عليه المحيط بشكل كبير. تهدف الدراسة إلى معالجة هذه الفجوة من خلال دراسة تقلبات SST في فصل الشتاء في المحيط الهندي وتأثيراتها على الستراتوسفير في نصف الكرة الجنوبي والطبقات الجوية العليا.
النتائج
تسلط نتائج هذه الدراسة الضوء على التأثير الكبير لدورة المحيط الهندي مودوكي (MIOD) على الستراتوسفير في نصف الكرة الجنوبي (SH)، خاصة خلال فصل الشتاء الأسترالي (يونيو-يوليو-أغسطس، JJA). تكشف التحليلات المركبة عن عدم تماثل ملحوظ بين أحداث MIOD الإيجابية والسلبية. ترتبط أحداث MIOD الإيجابية بشذوذات قوية سلبية في الرياح الأفقية في الستراتوسفير المتوسطة (مركزها حوالي 40° جنوبًا) وشذوذات إيجابية في الستراتوسفير ذات العرض العالي (حوالي 65° جنوبًا). تتزامن هذه الشذوذات الهوائية مع ارتفاع كبير في درجات الحرارة في الستراتوسفير، يتميز بهيكل درجة حرارة “على شكل T”، حيث يتجاوز الحد الأقصى لارتفاع درجة الحرارة +4 كلفن بالقرب من 3-10 هكتوباسكال. بالمقابل، تظهر أحداث MIOD السلبية شذوذات ضعيفة وغير ذات دلالة إحصائية في الرياح الأفقية ودرجات الحرارة، مما يبرز قوة الاستجابات الجوية خلال الأحداث الإيجابية.
تستكشف الدراسة أيضًا العلاقة بين شذوذات درجة حرارة سطح البحر (SST) والاستجابات الجوية، كاشفة أن أحداث MIOD الإيجابية تولد شذوذات باردة كبيرة في SST فوق وسط المحيط الهندي، بينما تظهر الأحداث السلبية شذوذات دافئة ملحوظة في منطقة أضيق. تشير تحليل نشاط الموجات الكوكبية إلى أن أحداث MIOD الإيجابية تعزز انتشار الموجات ذات الرقم الموجي 1 (WN-1) إلى الستراتوسفير، مما يؤدي إلى نشاط موجي أقوى واستجابة جوية أكثر تماسكًا. بالمقابل، تثير أحداث MIOD السلبية بشكل أساسي أرقام موجية أعلى (WN-2 وWN-3) لا تنتشر بشكل فعال إلى الستراتوسفير، مما يؤدي إلى تعديل جوي ضئيل. تشير النتائج إلى أن تأثير MIOD على الديناميات الستراتوسفيرية مدفوع بشكل أساسي بهياكل شذوذ SST المميزة ونشاط الموجات الكوكبية الناتجة، حيث تسهل المراحل الإيجابية انتشار الموجات إلى الأعلى بشكل أقوى وزيادة الدورة الهوائية لبروير-دوبسون، مما يؤثر في النهاية على توزيع الأوزون في الستراتوسفير.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون المنهجيات والنتائج المتعلقة بتأثير دورة المحيط الهندي في منتصف العرض (MIOD) على الظروف الجوية، مع التركيز بشكل خاص على الاستجابات الستراتوسفيرية والميزوسفيرية. باستخدام مجموعة من البيانات الملاحظة من أجهزة الأقمار الصناعية HALOE وSABER ومحاكاة من تكوين الديناميات المحددة لنموذج المناخ المجتمعي للغلاف الجوي الكامل الإصدار 6 (WACCM6-SD)، تبحث الدراسة في الانتشار العمودي للاضطرابات المرتبطة بـ MIOD. تكشف التحليلات أنه خلال أحداث MIOD الإيجابية، يتم ملاحظة شذوذات كبيرة في درجات حرارة الستراتوسفير، مع ارتفاع ملحوظ في المناطق المتوسطة وشذوذ بارد يمتد من حدود الستراتوسفير إلى الميزوسفير.
تشير النتائج إلى أن شذوذات الرياح الأفقية الستراتوسفيرية المرتبطة بأحداث MIOD تظهر نمط ثنائي القطب، مما يؤثر على تصفية مستوى الجاذبية. من المتوقع أن يؤثر هذا التغيير في التدفق الخلفي على انتشار موجات الجاذبية، مما يؤدي إلى تغييرات في درجات الحرارة وأنماط الرياح في الميزوسفير العليا. تظهر محاكاة النموذج تسارعًا كبيرًا نحو الشرق لشذوذات سحب موجات الجاذبية، مما يشير إلى أن شذوذات الرياح الستراتوسفيرية المرتبطة بـ MIOD يمكن أن تعدل الديناميات في الميزوسفير. بشكل عام، تبرز الدراسة التفاعلات المعقدة بين شذوذات SST المحيطية والديناميات الجوية، مع التأكيد على إمكانية أن تمتد أحداث MIOD تأثيرها إلى الغلاف الجوي العلوي.
DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-1021-2026
Publication Date: 2026-01-21
Author(s): Chengyun Yang et al.
Primary Topic: Atmospheric Ozone and Climate
Overview
This study introduces an index for the midlatitude Indian Ocean Dipole (MIOD) derived from the second empirical orthogonal function (EOF) mode of austral winter sea surface temperature (SST) anomalies. Utilizing ERA5 reanalysis datasets, satellite observations, and WACCM6 simulations, the research investigates the atmospheric responses associated with MIOD. The findings reveal significant asymmetric impacts between positive and negative MIOD events, primarily influenced by variations in wavenumber-1 planetary wave activity. Positive MIOD events enhance planetary-wave propagation from the Indian Ocean, resulting in momentum deposition, temperature variations, changes in zonal winds, and a strengthened residual meridional circulation. These dynamical changes lead to warming in the midlatitudes and alterations in the polar vortex’s vertical-meridional structure, while also facilitating the upward extension of SST signals into the mesosphere.
The study concludes that Indian Ocean SST anomalies play a crucial role in modulating the circulation and thermal structure of the middle and upper atmosphere during the Southern Hemisphere winter. Positive MIOD events are linked to pronounced planetary-wave responses and enhanced upward Eliassen-Palm (EP) flux, which contribute to stratospheric warming and ozone redistribution. In contrast, negative MIOD events yield weaker atmospheric signals, primarily exciting higher-wavenumber disturbances that remain below the tropopause. The atmospheric response to positive MIOD events resembles a Southern Annular Mode (SAM)-negative pattern, characterized by polar vortex weakening and broader circulation adjustments. The research emphasizes that MIOD-related anomalies extend into the mesosphere, suggesting that Indian Ocean SST variability is an important contributor to large-scale atmospheric dynamics, complementing established influences such as El Niño-Southern Oscillation (ENSO) and the Quasi-Biennial Oscillation (QBO).
Introduction
The introduction highlights the significant role of the stratosphere in atmospheric vertical coupling and climate system evolution, emphasizing its influence on both tropical and extratropical circulation through various radiative and dynamical processes. Key findings indicate that stratospheric anomalies, particularly variations in the polar vortex, can propagate downward to disrupt tropospheric circulation within 1-2 months. In the Southern Hemisphere, stratospheric disturbances are particularly impactful, with major sudden stratospheric warming (SSW) events leading to vertically coupled atmospheric responses driven by wave-mean flow interactions.
The section further discusses the influence of external oceanic forcing, particularly tropical sea surface temperature (SST) variations associated with phenomena like the El Niño-Southern Oscillation (ENSO), on stratospheric processes. It notes that SST anomalies in the Indian and Atlantic Oceans also affect stratospheric dynamics, with specific modes such as the Indian Ocean Basin Mode (IOBM) and the Indian Ocean Dipole (IOD) modulating both tropospheric and stratospheric circulation. Despite extensive research on tropical Indian Ocean variability, the introduction points out a gap in understanding the impacts of subtropical SST anomalies on stratospheric dynamics, particularly in the Southern Hemisphere, which is predominantly ocean-dominated. The study aims to address this gap by examining wintertime SST variability in the Indian Ocean and its effects on the Southern Hemisphere stratosphere and higher atmospheric layers.
Results
The results of this study highlight the significant impact of the Modoki Indian Ocean Dipole (MIOD) on the Southern Hemisphere (SH) stratosphere, particularly during austral winter (June-July-August, JJA). Composite analyses reveal a pronounced asymmetry between positive and negative MIOD events. Positive MIOD events are associated with strong negative zonal wind anomalies in the midlatitude stratosphere (centered at approximately 40° S) and positive anomalies in the high-latitude stratosphere (around 65° S). These wind anomalies coincide with substantial warming in the stratosphere, characterized by a “T-shaped” temperature structure, with maximum warming exceeding +4 K near 3-10 hPa. In contrast, negative MIOD events show weak and statistically insignificant zonal wind and temperature anomalies, underscoring the robustness of the atmospheric responses during positive events.
The study further explores the relationship between sea surface temperature (SST) anomalies and atmospheric responses, revealing that positive MIOD events generate significant cold SST anomalies over the central Indian Ocean, while negative events exhibit pronounced warm anomalies in a narrower region. The analysis of planetary wave activity indicates that positive MIOD events enhance the propagation of zonal wavenumber-1 (WN-1) waves into the stratosphere, leading to stronger wave activity and a more coherent atmospheric response. Conversely, negative MIOD events primarily excite higher wavenumbers (WN-2 and WN-3) that do not effectively propagate into the stratosphere, resulting in minimal atmospheric modulation. The findings suggest that the MIOD’s influence on stratospheric dynamics is primarily driven by the distinct SST anomaly structures and the resulting planetary wave activity, with positive phases facilitating stronger upward wave propagation and enhanced Brewer-Dobson circulation, ultimately affecting ozone distribution in the stratosphere.
Discussion
In this section, the authors discuss the methodologies and findings related to the influence of the Middle-latitude Indian Ocean Dipole (MIOD) on atmospheric conditions, particularly focusing on the stratospheric and mesospheric responses. Utilizing a combination of observational data from the HALOE and SABER satellite instruments and simulations from the Specified Dynamics configuration of the Whole Atmosphere Community Climate Model version 6 (WACCM6-SD), the study investigates the vertical propagation of MIOD-related perturbations. The analysis reveals that during positive MIOD events, significant stratospheric temperature anomalies are observed, with a notable warming in the midlatitudes and a cold anomaly extending from the stratopause into the mesosphere.
The findings indicate that the stratospheric zonal wind anomalies associated with MIOD events exhibit a dipole pattern, which influences gravity-wave critical-level filtering. This alteration in the background flow is expected to affect the propagation of gravity waves, leading to changes in temperature and wind patterns in the upper mesosphere. The model simulations show a significant eastward acceleration of gravity wave drag anomalies, suggesting that the MIOD-related stratospheric wind anomalies can modify the dynamics in the mesosphere. Overall, the study highlights the complex interactions between oceanic SST anomalies and atmospheric dynamics, emphasizing the potential for MIOD events to extend their influence into the upper atmosphere.