The tropical tropopause layer A. E. Dessler, C. M. Alcala Earth System Science Interdisciplinary Center University of Maryland S. C. Sherwood Dept. of Geology and Geophysics Yale University
The tropical tropopause layer
A. E. Dessler, C. M. AlcalaEarth System Science Interdisciplinary Center
University of Maryland
S. C. SherwoodDept. of Geology and Geophysics
Yale University
Brewer, A.W., Evidence for a world circulation provided by the measurements of helium and water vapour distribution in the
stratosphere, Q. J. R. Meteorol. Soc., 1949.
Very low water vapor
16 km
TropopauseDehydration
8 km
Pole Equator Pole
Theories of TTL processes
• Slow ascent
• Convective dehydration
Atmospheric Structure
300280260240220200
Temperature (K)
50
40
30
20
10
0
Altitude (km)
Tropopause
Troposphere
Stratosphere
convection
Slow Ascent
TropicalTropopauseLayer
The stratospheric “drain”
Sherwood, S.C., A stratospheric "drain" over the maritime continent, Geophys. Res.Lett., 2000.
Constraints
Positive or negative?Water-ozone correlation
HDO: -679±20 per mil,H2Q: -128±31 per mil[Johnson et al., 2001]
Isotopic abundance of HDO and H2Q
3.85 ppmv ( ±5%) in the mid 1990s[Dessler and Kim, 1999, SPARC Water Vapor Assessment, 2000]
Water vapor entering the stratosphere
Randel et al., JGR, 2001
January
Randel et al., JGR, 2001
July
Chemistry
• Mix of troposphere and stratosphere• O3 is produced by both photolysis and
HOx+NOx• CO is destroyed by oxidation
– CO & O3: photochemical clock (e.g., Weinstock et al., 2001)
• CH4 and N2O are essentially inert
Theories of Dehydration
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
Tropopause
14 km, 355 K
18 km, 420 KStratosphere
Troposphere
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
Tropopause
14 km, 355 K
18 km, 420 KStratosphere
Troposphere
Cold Pool
ConvectiveDehydration
“Cold Trap”Dehydration
Isotope fundamentals
• R=[HDO]/[H2O]• delta D = 1000(R/Ro-1)• Only changes in HDO relative to H2O
change these values• Condensation preferentially reduces HDO
Isotopic Constraint
50 100 150 200 250delta O18
200
400
600
800
1000delta D
Johnson et al., Isotopic composition of stratospheric water vapor: Implications for transport, J. Geophys. Res., 2001.
Keith, D.W., Stratosphere-Troposphere exchange: Inferences from the isotopic composition of water vapor, J. Geophys. Res., 2000.
Moyer et al., ATMOS stratosphericdeuterated water and implications for troposphere-stratosphere transport, Geophys. Res.Lett., 1996.
150 hPa
200 hPa
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������Tropopause
14 km, 355 K
18 km, 420 KStratosphere
Troposphere
Cold Pool
Theories of Dehydration
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
Tropopause
14 km, 355 K
18 km, 420 KStratosphere
Troposphere
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
Tropopause
14 km, 355 K
18 km, 420 KStratosphere
Troposphere
Cold Pool
ConvectiveDehydration
“Cold Trap”Dehydration
Temperature profiles
300280260240220200Temp (K)
8
9
100
2
3
4
5
6
7
8
9
1000
P (hPa)
-8 -4 0Adiabat-Env (K)
8
9
100
2
3
4
5
6
7
8
9
1000
P (hPa)
12 4 6 8
102 4 6 8
100
Saturation WV (ppmv)
Feb. 1995 sonde data, avg. between 10N and 10SPseudo-adiabatic profile lifted from 850 hPa
Conservation Equation in the TTL∂ χ[ ]∂t
= Pχ − Lχ χ[ ]− Ý θ ∂ χ[ ]∂θ
−χ[ ]− χ[ ]PBL
τ
Transport due to slow ascent from mean stratcirculation
rapid vertical transport viaconvection of planetary boundary layer (PBL) air into the TTL with a transport time constant of τ.
Note: θ is potential temperature and Ýθ is the vertical velocity inθ coordinates
Calculated mixing time, τ
80400τ (days)
380
375
370
365
360
355
Potential Temperature (K)
16
15
14
Approximate Altitude (km)
O3 CO
τ is the turnover time for the TTL due to convection.
The increase in τ with altitude is consistent with our view of the thermodynamics of the PBL.
Importantly, our results show that convection does influence thechemistry around the tropical tropopause
Mass crossing the tropopause
1.00.80.60.40.20.0
Fraction crossing the 380-K surface
380
375
370
365
360
355
Potential Temperature (K)
16
15
14
Approximate Altitude (km)
O3 CO
Tropopause
This plot shows the fraction of mass that’s crossing the 380-K surface that detrained above each θ surface
As expected, virtually 100% of the mass detrained above 355 K.Surprisingly, 45-60% of the mass crossing the 380-K surfacedetrained above 370 K.
A solution to the isotopic conundrum
• Johnson et al. [2001]• Imagine that air going into the stratosphere
comes through two pipes. 170 hPa, 210 K 80 hPa, 170 K
80 ppmv-690,-110
0.1 ppmv-980,-3005% 95%
4 ppmv-696,-114
“most of the moisture comes from convective outflow near 11 km, most of the air in the upper troposphere consists of dehydrated air from convective systems with cloud top temperatures below that of the mean tropical tropopause.”
Conclusions• Dehydration and strat-trop exchange are different
processes• Air is transported to the TTL via convection; transported
out of the TTL via Brewer-Dobson circulation• Tracer data show
– Air detrains throughout the TTL– Positive and negative correlations with H2O
• Isotopic data show that air cannot be dehydrated along ONE path
This work was supported by a NASA New Investigator Program in Earth Science grant, an EOS IDS grant, and several ACMAP grants, all to the Univ. of Maryland. Useful conversations with many, many people are also acknowledged.