STRATOSPHERE-TROPOSPHERE EXCHANGE PROCESSES AND THEIR IMPACT ON THE OZONE BALANCE IN THE SUBTROPICS OF THE SOUTHERN HEMISPHERE: A MULTI-SCALE INTEGRATED STUDY BASED AT CERRO TOLOLO (30ºS, 70ºW, 2200 M.A.S.L)
FONDECYT 1030809 (2003-2006); FONDECYT-INT 7030071 (2003); FONDECYT-INT 7040169 (2004)

Contents/Contenidos

Última revisión/Last update: Marzo 15 de 2006, LGK

Project Summary

At Cerro Tololo (30ºS, 70ºW, 2200 m.a.s.l.), continuous measurements of surface ozone (O3), radiation and meteorological parameters have been performed since early 1996 under the auspices of the World Meteorological Organization (WMO) and through the Chilean Weather Office in cooperation with the Interamerican Southern Astronomical Observatory. This station belongs to a set of background regional stations intended to survey global change that are run under the Global Atmospheric Watch (GAW) program of the WMO. The chemical composition of the air arriving at the Cerro Tololo site appears to be generally representative of background conditions of free-tropospheric air in the subtropics of the Southern Hemisphere (SH).

The O3 data collected at Tololo show a seasonal variation with maximum mixing ratios in late winter and spring, which appear to be related with the intrusion of O3-rich air in connection with the tilting of isentropic surfaces near the subtropical jet stream (SJT). Cut-off lows and deep troughs appear also to be major contributors to the O3 measured at Cerro Tololo. Stratosphere-troposphere exchange (STE) processes are key factors for the balance of the radiatively and chemically important trace species (e.g., O3). STE processes seem also crucial for the formation of new particles. Moreover, these processes up-wind of the Andes barrier play a key role for the occurrence of heavy precipitation events over Central and Northern Chile. Despite their importance, STE processes are still poorly understood, particularly over the SH. Hereby, we propose a study intended to assess STE processes over Cerro Tololo in the subtropics of the SH by means of an integrated approach that includes in situ measurements as well as regional and meso-scale modeling.

Our aim is to identify the mechanisms that explain the O3 spring maximum at Tololo. Also, we want to assess the relative importance of the mechanisms responsible for the transport of O3-rich air from intrusion areas, where STE occurs, to the Tololo site, i.e., advection, large-scale subsidence and turbulent mixing. To identify characteristic patterns of STE, a climatology of typical air-masses arriving at Tololo will be built-up on the basis of composite analyses of reanalysis data using potential vorticity (PV), water vapor and the like as STE proxies. Further details will be identified by using high-resolution (ca. 0.1º, 3 hourly) climatological fields, dynamically interpolated from reanalysis data for nine months in the years 1997, 1998, 1999 and 2000, which cover typical meteorological situations over the Tololo area, including El Niño and La Niña years. In situ vertical soundings of O3 will be carried out three times a day, daily during a 10-days long campaign in the spring of 2004 at Tololo. Complementarily, meteorological soundings will be performed during the campaign. Also, measurements of a beryllium isotope (7Be), sampled for 24 hours every three days along one year, and carbon monoxide (CO), continuously sampled during the campaign, will be concurrently performed in order to discriminate the origin of air masses. Regional and meso-scale numerical simulations of stratospheric intrusions as expressed in dynamical variables (e.g., PV) and in transport of an O3-like tracer will be performed. These simulations will be done for typical spring conditions as identified by the climatological data and for selected events according to the data collected during the campaign. Meteorological models will be used to produce dynamically interpolated three-dimensional (3-D) regional and meso-scale meteorological fields, which will drive a 3-D Eulerian transport model that will simulate the intrusion and subsequent dispersion of an O3-like tracer subject to photolysis and dry deposition. The simulations will be evaluated against in situ and available satellite measurements of O3, water vapor and other relevant STE tracers.

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Resumen de Resultados

En este proyecto se estudiaron procesos de intercambio entre la estratósfera y la tropósfera con énfasis en el efecto de estos procesos sobre la presencia de ozono (O3) en la tropósfera. Esto es de interés en el contexto del cambio global pues el ozono es un gas que afecta, por un lado, el balance energético del planeta (gas de efecto invernadero) y, por otro lado, afecta la capacidad oxidativa de la atmósfera y cuya abundancia en la tropósfera ha experimentado aumentos significativos en los últimos dos cientos años a consecuencia de actividades antrópicas.

El balance de ozono en la tropósfera obedece a cuatro procesos: 1) la intrusión de ozono desde la estratósfera que es el reservorio atmosférico que contiene el 90% del total de ozono; 2) la producción fotoquímica que ocurre en presencia suficiente (~100 ppt) de óxidos de nitrógeno, hidrocarburos y radiación solar visible; 3) destrucción fotoquímica que prevalece en ausencia de suficientes óxidos de nitrógeno; y 4) procesos de remoción y destrucción en la superficie (deposición seca). En zonas subtropicales del hemisferio sur como aquellas caracterizables a través de las mediciones realizadas en las estaciones de Rapanui (27ºS, 109ºW, 51 m.s.n.m.) y Tololo (30ºS, 70ºW, 2200 m.s.n.m.), se estima que la intrusión de ozono desde la estratósfera es uno de los procesos sino el más relevante que determinan su abundancia. Sin embargo, los mecanismos a través de los cuales ello ocurre no son aún bien comprendidos. Este estudio ha permitido avanzar en el entendimiento y caracterización de dichos procesos a través del análisis de mediciones existentes, campañas intensivas de monitoreo y simulaciones numéricas hechas con modelos meteorológicos y de dispersión.  Además, en el caso de Tololo, ubicado en una zona de relieve complejo al pie de la Cordillera de Los Andes, se ha avanzado en la implementación de modelos numéricos que permiten capturar los detalles de la circulación en el Valle del Elqui y similares.

Nuestros hallazgos indican que en Rapanui y Tololo el balance de ozono obedece primordialmente a fenómenos de transporte e intercambio entre la estratósfera y tropósfera, observándose un ciclo anual que muestra abundancias máximas tarde en el invierno y en la primavera que se asociaría a las configuraciones sinópticas típicas de esta región. Estas configuraciones corresponden a la presencia de vientos intensos en altura (corriente en chorro subtropical) que inducirían turbulencia mezclando aire estratosférico rico en ozono y pobre en vapor de agua hacia la tropósfera y a la incursión ocasional de masas de aire polares y subpolares hasta la zona subtropical (vaguadas profundas y bajas segregadas), en conexión con las cuales se provocan quiebres y plegamientos en la tropopausa facilitando la intrusión de aire estratosférico. Este último mecanismo sería más frecuente en Tololo que en Rapanui. En Tololo las intrusiones se verían reforzadas por mezcla turbulenta gatillada por la Cordillera de Los Andes dando lugar a abundancias en general mayores a las observadas en Rapanui. En Rapanui, en tanto, prevalecería mezcla turbulenta en torno a la corriente en chorro subtropical.

Por último, cabe destacar que este proyecto permitió la formación de nuevos recursos humanos, la instalación de mejores capacidades computacionales y de modelación, ha permitido integrar de manera eficaz las estaciones chilenas de Rapanui y Tololo a las redes científicas globales y ha gatillado el desarrollo de nuevos proyectos científicos.

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