Detection and evaluation of sudden stratospheric warming : A case study of water vapor transport
Stratosferik ani ısınmaların tespiti ve değerlendirilmesi: Su buharı taşınımı örnek olay incelemesi
- Tez No: 1010323
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ DEMİRHAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Meteoroloji, Meteorology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Kuzey Yarımküre (KYK) kış mevsiminde orta atmosferin sergilediği en dramatik, en kaotik ve dinamik doğa olaylarının başında gelen stratosferik ani ısınma (SSW) olayları, stratosferik polar vorteksin termodinamik dengesinin temelinden sarsılmasıyla ortaya çıkan ve atmosferin dikey yapısındaki tüm dengeleri değiştiren son derece karmaşık süreçleri temsil etmektedir. Bu olaylar sırasında kutup bölgesindeki sıcaklıkların çok kısa bir zaman diliminde, bazen sadece birkaç gün gibi atmosferik ölçekte çok dar bir aralıkta 30–40 K arasında ekstrem düzeylerde artması sadece stratosferin fiziksel ve kimyasal yapısını değiştirmekle kalmaz, aynı zamanda troposferle olan dinamik bağı üzerinden yer seviyesindeki hava sistemlerini, jet akıntılarını ve fırtına yollarını da doğrudan etkiler. Ayrıca, bu olayların Quasi-Biennial Oscillation (QBO) tarafından modüle edilmesi değerlendirilmiş ve doğulu fazın (QBO–), Holton-Tan etkisi aracılığıyla gezegensel dalga aktivitesini ve vorteks parçalanma olasılığını önemli ölçüde artırdığı doğrulanmıştır. Hazırlanan bu kapsamlı tez çalışması, söz konusu olayların tespitinden başlayarak küresel iklim modellerindeki temsil kapasitelerini, modellerin yapısal eksikliklerini ve bu süreçlerin stratosferik su buharı taşınımı üzerindeki dönüştürücü rolünü hem tarihsel reanaliz verileri hem de gelecek projeksiyon senaryoları ışığında çok boyutlu bir perspektifle analiz etmektedir. Atmosferin bu iki temel katmanı arasındaki etkileşimin doğru tanımlanması, sadece kısa vadeli hava tahmin modellerinin başarısını artırmakla kalmayıp, aynı zamanda iklim sisteminin uzun vadeli değişkenliğini ve küresel ısınma altındaki yeni denge durumlarını anlamak açısından da hayati bir öneme sahiptir. KYK genelinde kış şartlarının şiddeti, kar örtüsü süresi ve ekstrem soğuk hava dalgaları üzerinde belirleyici olan bu fenomenler, troposferden yukarı doğru yayılan gezegensel ölçekli Rossby dalgalarının stratosfere devasa enerji ve momentum taşıması sonucunda polar vorteksin zayıflaması, yer değiştirmesi veya tamamen parçalanmasıyla sonuçlanan bir enerji boşalımıdır. Çalışmanın metodolojik temelini oluşturan ve mevcut literatürdeki tespit kısıtlamalarını gidermeyi hedefleyen eşik aşım alanı yöntemi (TEA), geleneksel rüzgâr odaklı tespit kriterlerine çok daha hassas ve fiziksel bir alternatif sunmaktadır. Literatürde on yıllardır yaygın olarak kullanılan ve genellikle 60 K enlemindeki bölgesel rüzgarların yön değiştirmesini baz alan rüzgâr dönüşü yöntemleri, rüzgârın tam olarak doğulu rüzgâra dönmediği ancak stratosferin termal olarak büyük bir enerji birikimi yaşadığı pek çok ısınma olayını tespit edememekte veya yanlış sınıflandırmaktadır. Bu tezde geliştirilen TEA yöntemi ise 10 hPa basınç seviyesindeki sıcaklık anomalilerini merkeze alarak ısınmanın sadece şiddetini değil, aynı zamanda olayın zamansal sürekliliğini, kapladığı devasa coğrafi alanı ve atmosferik kütle üzerindeki etkisini matematiksel bir algoritma ile hesaba katmaktadır. ERA5 reanaliz verileri kullanılarak 1980 ile 2005 yılları arasındaki 25 yılı aşkın tarihsel dönem mercek altına alınmış ve bir olayın gerçek bir SSW olarak tanımlanabilmesi için 30 K üzerindeki sıcaklık anomalisinin en az 6 ardışık gün boyunca kesintisiz olarak korunması şartı getirilmiştir. Bu yöntem sayesinde olayların ana evre gücü (MPS) üzerinden yapılan sayısal sınıflandırmalar, stratosferin termal hafızasını ve enerji boşaltım kapasitesini çok daha hassas bir şekilde ölçmeyi mümkün kılmıştır. MPS değerleri, ısınmanın kapladığı alan (MPA) ile süresinin (MPD) çarpımı üzerinden hesaplanarak olayları küçük, büyük ve ekstrem olmak üzere üç ana kategoriye ayırmıştır. İstatistiksel bulgular, SSW olaylarının gerçekleştiği kış aylarında stratosferik sıcaklık varyansında %44 ile %54 arasında değişen belirgin bir azalma yaşandığını ortaya koymuştur. Bu durum, stratosferin ekstrem ısınma yoluyla bir nevi kendisini stabilize etme, aşırı soğumuş kutup bölgesini çevre orta enlemlerle dengeleme ve atmosferik enerjiyi daha homojen bir yapıya zorlama çabası olarak yorumlanmaktadır. Tezin model değerlendirme bölümünde, dünya genelinde iklim araştırmalarında referans kabul edilen ACCESS1.3 (M1), HadGEM2-CC (M2), MPI-ESM-MR (M3), FGOALS-g2 (M4) ve GFDL-ESM2G (M5) gibi beş farklı küresel iklim modelinin (CMIP5) performansları ERA5 reanaliz veri setiyle titizlikle kıyaslanmıştır. Modellerin tarihsel dönemdeki başarıları incelendiğinde, M1, M2 ve M3 modellerinin KYK polar vorteks dinamiklerini, Rossby dalga kırılma mekanizmalarını ve SSW frekanslarını ERA5 verileriyle uyumlu şekilde gerçeğe en yakın istatistiksel doğrulukla yakaladığı saptanmıştır. Özellikle dikey katman çözünürlüğü yüksek olan ve stratosferin üst sınırını 50 km'nin çok daha üzerinde tanımlayan modellerin bu uç olayları temsil etmede, dalga-ortalama akış etkileşimini doğru simüle etmede açık ara daha başarılı olduğu gözlemlenmiştir. Buna karşın, özellikle M4 ve M5 gibi modellerde kronik bir sorun olarak saptanan soğuk kutup yanlılığı durumu, polar gece jetinin olması gerekenden çok daha kararlı ve şiddetli simüle edilmesine yol açarak SSW olay sayısının istatistiksel olarak gerçek değerlerin çok altında tahmin edilmesine neden olmuştur. Bu durum, bu modellerin stratosferik değişkenliği eksik hesapladığını ve dolayısıyla yeryüzü iklim tahminlerinde de sistematik hatalar barındırabileceğini göstermektedir. M1 modeli tarihsel dönem ile gelecek projeksiyonları arasında belirli bir tutarlılık sergilese de rüzgâr şiddeti analizlerinde ve vorteksin geometrik şekil bozulmalarında sapmalar göstermiştir. Gelecek iklim senaryosu olan RCP 4.5 altında 2100'e kadar yapılan projeksiyonlar ise KYK stratosferinin genelinde beklenen ve sera gazı artışına bağlı olarak gelişen radyatif soğuma eğilimine rağmen SSW olaylarının fiziksel birer dengeleyici mekanizma olarak görev yapmaya devam edeceğini göstermektedir. Gelecekte bu olayların toplam sayısında radikal bir artış öngörülmese de ısınma evrelerinin zamansal süresinin uzaması, ısınmanın dikey yönde troposfere daha derin nüfuz etmesi ve ısınma sonrası vorteksin toparlanma süresinin daha sancılı geçmesi gibi yapısal değişimlerin, stratosfer ile troposfer arasındaki etkileşimi çok daha kalıcı ve etkili hale getirme potansiyeli taşıdığı belirlenmiştir. Bu araştırmanın kritik bir keşfi, hidrolojik tepkinin kalıcılığıdır; dinamik anomaliler ısınma evresinde zirve yaparken ve olay 30 Ocak 2003 tarihinde sona ererken, stratosferik nem konsantrasyonları toparlanma evresinde de yüksek kalmaya devam etmektedir. Tezin en özgün ve teknik derinliği en yüksek kısımlarından birini teşkil eden su buharı taşınımı analizi, 2003 yılının ocak ayında gerçekleşen ve atmosfer bilimleri literatüründe vorteksin tam ortadan ikiye ayrılmasıyla sonuçlanan büyük ölçekli ısınma olayı üzerinden detaylandırılmıştır. Bu örnek olay incelemesinde, polar vorteksin ikiye bölünmesiyle sonuçlanan dramatik dinamik süreçlerin üst troposfer alt stratosfer (UTLS) bölgesinden yukarı doğru alışılagelmişin dışında bir kütle ve nem transferi başlattığı somut verilerle ortaya konmuştur. Nicel analizler, dikey yükselme mekanizması nedeniyle stratosferik nem indeksinde (100-10 hPa) %5,22'lik önemli bir artış olduğunu ve bunun orta troposferdeki (500-100 hPa) %4,91'lik nem açığı ile fiziksel olarak dengelendiğini ortaya koymaktadır. Normal şartlarda tropopoz seviyesi, bu iki atmosfer katmanı arasında kimyasal ve fiziksel geçişi engelleyen keskin bir bariyer görevi görürken, SSW sırasında oluşan ekstrem dikey hareketlerin ve dalga zorlamasının bu bariyeri mekanik olarak zayıflattığı saptanmıştır. Atmosferik dikey hız bileşenlerindeki ani ve şiddetli artışlar, tropopoz seviyesindeki nemli hava kütlelerinin, stratosferik kuru ve son derece steril olan rezervuara fiziksel olarak enjekte edilmesini sağlamıştır. Su buharının bu yukarı yönlü taşınımı sadece büyük ölçekli genel dolaşımla değil, aynı zamanda vorteks parçalanması sırasında kutup dairesi çevresinde oluşan ipliksi ve spiral yapılar vasıtasıyla, adeta bir pompa mekanizması gibi gerçekleşmiştir. Stratosfere bu yolla giren ilave nemin bölgedeki radyatif dengeyi kökten değiştirerek polar vorteksin kış sonundaki yeniden toparlanma sürecini önemli ölçüde geciktirdiği, stratosferi radyatif olarak daha fazla soğutarak termodinamik dengesizliği derinleştirdiği ve ısınmanın yarattığı anomalik etkilerin alt katmanlarda çok daha uzun süre hissedilmesine zemin hazırladığı tespit edilmiştir. Bu bulgular, SSW olaylarının sadece dinamik birer rüzgâr veya sıcaklık değişimi olmadığını, aynı zamanda atmosferin nem bütçesini ve ozon tabakası üzerindeki kimyasal yıkım süreçlerini etkileyen kritik hidrolojik sürücüler olduğunu ispatlamaktadır. Brewer-Dobson Dolaşımı (BDC), bu taşınım mekanizmasının merkezinde yer almaktadır. Bir SSW olayı sırasında KYK stratosferindeki dalga kırılmalarının artması BDC mekanizmasını adeta hızlandırarak troposferdeki nemli havayı yukarı doğru pompalamaktadır. KYK genelinde yapılan bu derinlemesine analizler, SSW dönemlerinde polar stratosferin sadece termal olarak ısınmakla kalmadığını, aynı zamanda troposferden gelen yoğun kütle girişiyle kimyasal ve hidrolojik olarak da tamamen yeniden yapılandırıldığını göstermektedir. Bu araştırmanın kritik bir keşfi, hidrolojik tepkinin kalıcılığıdır; dinamik anomaliler ısınma evresinde zirve yaparken ve olay 30 Ocak 2003 tarihinde sona ererken, stratosferik nem konsantrasyonları toparlanma evresinde de yüksek kalmaya devam etmektedir. Özellikle 2003 yılındaki vorteks bölünmesi, stratosferin yalıtılmış yapısını bozarak nemli hava paketlerinin kutup dairesinin en derin noktalarına kadar sızmasına olanak tanımıştır. Bu sızma süreci, izentropik yüzeyler boyunca gerçekleşen yatay karışımlarla desteklenmiş ve ısınma olayının fiziksel olarak sona ermesinden sonra bile stratosferde aylarca süren kalıcı nem anomalileri bırakmıştır. Tezin sayısal veriler, spesifik nem grafikleri ve dikey kesit analizleriyle desteklediği bu mekanizma, gelecekteki iklim simülasyonlarında stratosferik nem bütçesinin neden çok daha hassas yöntemlerle hesaplanması gerektiğini açıkça ortaya koymaktadır. Mevcut modellerin birçoğunun bu dikey taşınım süreçlerini düşük çözünürlük kısıtları sebebiyle tam olarak yakalayamadığı, bu durumun da uzun vadeli iklim öngörülerinde, kutup buzullarındaki erime tahminlerinde ve mevsimsel tahminlerde ciddi belirsizliklere yol açtığı çalışmanın temel eleştiri noktalarından biri olarak öne çıkmaktadır. Çalışmanın sonuç bölümünde, MPS değerleri üzerinden yapılan analizlerin stratosferik enerjinin nasıl dağıtıldığını ve bu enerjinin hangi mekanizmalarla troposfere geri besleme yaptığını anlamada vazgeçilmez bir araç olduğu kanıtlanmaktadır. Özellikle ekstrem sınıfa giren SSW vakalarının, KYK üzerindeki jet akıntılarını güneye doğru kaydırarak Avrupa ve Asya'nın kuzey bölgelerinde dondurucu ve uzun süreli soğuk dalgalarına, buna mukabil güney bölgelerinde ve Akdeniz havzasında normalin çok üzerinde ekstrem yağış sistemlerine neden olduğu görülmüştür. TEA yönteminin sunduğu mekansal analiz kapasitesi, ısınmanın hangi boylamlar üzerinde yoğunlaştığını ve bu yoğunlaşmanın yeryüzündeki hangi yüksek basınç blokaj sistemleriyle doğrudan ilişkili olduğunu net bir şekilde ortaya koymaktadır. Sonuç olarak, geliştirilen TEA yönteminin stratosferik uç olayların karakterizasyonunda rüzgâr temelli geleneksel yaklaşımlara göre çok daha sağlam, fiziksel olarak tutarlı ve kapsayıcı bir çerçeve çizdiği sonucuna varılmıştır. Küresel iklim modellerinin stratosferik süreçleri temsil etme konusundaki yapısal eksiklikleri, gelecekteki model iyileştirme çalışmaları için somut veri setleri ve fiziksel parametrelendirme önerileriyle desteklenmiştir. 2003 yılına ait vaka analiziyle ortaya konan yukarı yönlü su buharı taşınım mekanizması, yüksek enlemlerdeki katmanlar arası kütle değişim süreçlerinin sanılandan çok daha karmaşık ve küresel iklim dengesi üzerinde etkili olduğunu ispatlamıştır. KYK stratosferinin bu gizemli ısınma olayları, gelecekte daha gelişmiş teknolojik imkanlar ve modellerle incelendiğinde, atmosferin dikey yapısındaki gizli geçitlerin çok daha net bir şekilde çözülmesine olanak tanıyacaktır.
Özet (Çeviri)
Stratospheric Sudden Warming, (SSW), events represent the most dramatic and influential disruptions of the wintertime circulation in the Northern Hemisphere (NH). These phenomena are characterized by a rapid increase in polar temperatures and a subsequent weakening or reversal of the polar night jet, carrying profound implications for both stratospheric composition and tropospheric weather patterns. Furthermore, the modulation of these events by the Quasi-Biennial Oscillation (QBO) is evaluated, confirming that the easterly phase (QBO–) significantly enhances planetary wave activity and the probability of vortex breakdowns through the Holton-Tan effect. This thesis provides an comprehensive evaluation of SSW dynamics, their representation in modern climate models, and their critical role in the vertical transport of water vapor (WV). The primary objective is to move beyond simple statistical descriptions and characterize the evolution of these events through their feedback mechanisms within the global climate system. Given that NH winter conditions are heavily influenced by the coupling between the stratosphere and troposphere, understanding the physical triggers that lead to the breakdown of the polar vortex is essential for improving long-range seasonal predictability. The sudden surges in stratospheric temperature, often exceeding 30–40K at the 10 hPa level, are induced by the vertical propagation of large-scale Rossby waves from the troposphere, leading to intense wave-mean flow interactions and the collapse of the polar night jet. A central methodological contribution of this research is the implementation of the Threshold Exceedance Area (TEA), method for identifying and classifying SSW events. Conventional detection methods, primarily based on the reversal of zonal mean winds at 60N, often fail to capture the full thermodynamic evolution and the spatial extent of the warming. The TEA method addresses this gap by analyzing temperature anomalies at the 10 hPa level, requiring a 30 K threshold to be exceeded for at least 6 consecutive days. Using ERA5 reanalysis data for the 1980 to 2005 period, this study demonstrates that the TEA approach provides a more refined understanding of the Main Phase Strength (MPS). The MPS is calculated by multiplication the Main Phase Area (MPA) over the Main Phase Duration (MPD) of the event, allowing for a robust classification into Minor, Major, and Extreme categories. The findings indicate that during the peak of these events, the stratospheric temperature variance decreases by 44–54%, reflecting a fundamental reorganization of the polar vortex energy state. This variance reduction suggests that SSWs act as a critical stabilizing feedback mechanism, redistributing heat from the mid-latitudes to the over-cooled polar region. With the ERA5 reanalysis dataset serving as the primary reference for validation, the evaluation of five specific climate models, namely ACCESS1.3 (M1), HadGEM2-CC (M2), MPI-ESM-MR (M3), FGOALS-g2 (M4), and GFDL-ESM2G (M5), reveals significant disparities in their ability to simulate stratospheric variability. While models such as M1, M2 and M3 show a high degree of fidelity in reproducing the frequency and magnitude of NH SSWs relative to ERA5, others suffer from a persistent cold pole bias. This bias leads to a polar night jet that is too stable and strong, resulting in an underestimation of the frequency of vortex breakdowns. In particular, the vertical resolution and the height of the model top are identified as decisive factors in capturing the upward propagation of planetary waves. Low-top models like M4 and M5 fail to reproduce realistic SSW frequencies due to their limited representation of the upper stratosphere. Under the RCP 4.5 future climate scenario, the analysis suggests that while the absolute frequency of SSWs may not increase drastically, the duration and vertical depth of these events are projected to lengthen. These modifications in SSW characteristics are expected to influence the downward propagation of stratospheric anomalies, thereby affecting surface weather regimes and atmospheric oscillations in a warming climate. Furthermore, this study investigates the hydrological implications of SSWs through a detailed case study of the January 2003 major warming event. This event is notable for a dramatic vortex split, which facilitated a significant injection of water vapor from the troposphere into the lower stratosphere. Quantitative analysis reveals a substantial +5.22% increase in the stratospheric moisture index (100–10 hPa), which is physically balanced by a –4.91% moisture deficit in the middle troposphere (500–100 hPa) due to the vertical hoisting mechanism. By analyzing vertical velocity fields and moisture flux, the research demonstrates that the mechanical disruption of the vortex creates pathways for moisture transport through the Upper Troposphere Lower Stratosphere (UTLS) region. Normal atmospheric barriers at the tropopause are breached during these extreme events, allowing moist air from lower levels to be injected into the dry stratospheric reservoir. This transport is not limited to large-scale circulation but also occurs through filamentous and spiral structures formed during the vortex fragmentation. The enhanced stratospheric water vapor alters radiative cooling rates and impacts the recovery time of the polar vortex, as the additional moisture acts as a radiative forcing agent that delays the return to a stable state. A critical discovery of this research is the persistence of the hydrological response; while dynamical anomalies peak during the warming phase and the event concludes on 30 January 2003, stratospheric moisture concentrations remain elevated during the recovery phase. The role of the Brewer-Dobson Circulation (BDC) is central to explaining this transport mechanism. During an SSW, the BDC is significantly accelerated due to increased wave breaking in the stratosphere. This acceleration drives the upward motion of air at high latitudes, effectively pumping water vapor into the middle atmosphere. The case study of 2003 provides empirical evidence for this pump effect, showing that the moisture anomalies persist in the stratosphere for months after the initial warming has subsided. This suggests that SSWs are not merely dynamical events but are critical drivers of the stratospheric moisture budget and chemical composition. The persistence of these moisture anomalies provides a memory effect that can influence the radiative balance of the NH for an entire season. In conclusion, this thesis advances the understanding of SSW events by introducing a robust detection algorithm and elucidating the physical mechanisms of stratospheric-tropospheric moisture exchange. The results highlight the necessity for improved stratospheric representation in climate models, particularly regarding vertical motion and UTLS interactions. By linking the dynamical classification of events via MPS with the hydrological consequences via BDC-driven transport, this research provides a holistic view of how the middle atmosphere responds to extreme forcing. These findings are vital for refining future climate models, as the inclusion of accurate stratospheric water vapor feedback is essential for predicting the long-term stability of the global climate system. The results underscore that high-resolution vertical grids and accurate stratospheric water vapor feedback are essential prerequisites for improving long-range seasonal predictability and refining future climate projections. The mysteries of the NH stratosphere continue to be a focal point for meteorological research, and this work establishes a new framework for integrating dynamical warming events with the global hydrological cycle.
Benzer Tezler
- Temel boyutlarıyla müziksel işitmenin incelenmesi
Research in musical audibility with it's basic dimensions
MEHLİKA DÜNDAR
- NaI (TI) dedektörleri için toplam verim ve tüm enerji pik duyarlığının Monte Carlo metodu ile elde edilmesi
Başlık çevirisi yok
N. REMZİYE ERGÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Fizik ve Fizik MühendisliğiUludağ ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CİHAN ÖZMUTLU
- Lohusalıkta anneye verilen sağlık eğitiminin annenin doğum sonrası döneme ilişkin bilgi düzeyine etkisinin incelenmesi
Başlık çevirisi yok
HANDAN GÜLER
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
HemşirelikCumhuriyet ÜniversitesiHemşirelik Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. MELİHA ATALAY
- Boğazdan izole edilen coliform bakterilerin B- laktamaz enzim aktivitelerinin tesbit edilmesi ve B-laktamaz pozitif coliformların penisilinetkisinin inaktivasyonunun in vitro deneylerle gösterilmesi
The Detection of beta-lactamasa activity of coliform bacteria isolated from th roat cultures and slovving the inactivation of penicilin by this beta lactamase produced by this caliform organisms
GÜVEN URAZ
Doktora
Türkçe
1986
MikrobiyolojiGazi ÜniversitesiGenel Biyoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERDOĞAN BERKMAN
- NH3 için önerilen yeni bir gerçek gaz hal denklemi ve bu hal denklemi ile bazı moleküler-fiziksel özelliklerin saptanması
Başlık çevirisi yok
MERAL HOŞCAN