Atmospheric moisture in the Arctic and Antarctic

Abstract

Water vapour is an effective greenhouse gas, but clouds, which are formed when water vapour condenses into water droplets or ice crystals, may have an even greater effect on radiative energy transfer through the atmosphere. In addition, absorption or release of the latent heat of vaporization and transport of water vapour are part of the heat transport from the Tropics towards the Poles. Thus, atmospheric water vapour greatly affects the energy balance of the atmosphere and is also an important component of the water cycle.

This thesis addresses the subject of atmospheric moisture and the processes affecting it in the Arctic and Antarctic. The studies comprising the thesis are mostly based on atmospheric reanalyses. In the polar regions, meteorological observation networks are sparse, due to their remoteness and the harsh environment, and therefore traditional observations have not provided a comprehensive picture of atmospheric conditions in the polar regions. In recent years, atmospheric reanalyses have also become more accurate in remote areas, which has enabled detailed studies of atmospheric moisture in the polar regions.

In the polar regions, the mostly negative radiation budget of Earth’s atmosphere-surface system shapes the distribution of water vapour in the atmosphere, especially the vertical structure of specific humidity. The polar regions are sinks for atmospheric water vapour, due to their typically small local evaporation, and even condensation of moisture on the surface. Therefore, moisture transport from the lower latitudes balances the moisture budget in the polar regions. This type of moisture budget favours the formation of specific humidity inversions.

Our results show that specific humidity inversions are common in the polar regions, and their occurrence near Earth’s surface is linked with surface conditions: radiative surface cooling, occurrence of temperature inversions in winter and cold sea surfaces or melting of sea ice in summer. Advection of warm, moist air masses over a cold surface in summer is vital for formation of specific humidity inversions. Below the approximately 800-hPa level, interactions between the atmosphere and Earth’s surface clearly affect both the atmospheric moisture content and moisture transport. Our results show that the northward moisture transport near the surface is mostly balanced by southward transport. Moisture transport clearly shapes the spatial distribution of the atmospheric moisture content. Regional trends in atmospheric moisture content in the Arctic are also mostly the results of long-term variations in atmospheric circulation.

The negative net radiation budget, weak evaporation and extensive contribution of moisture transport to atmospheric moisture content also characterize moisture conditions in the Antarctic. The results show that, due to geographical conditions, specific humidity inversions in Antarctica are even more persistent than those in the Arctic.

This is associated with stronger isolation of air masses in inner Antarctica from advection of warm, moist air masses than in the Arctic. The results also show that when a cold, dry air mass flows from the continent towards the ocean, it undergoes adiabatic warming, which together with downward sensible heat fluxes enables evaporation on Antarctic slopes.

Overall, this thesis contributes to our understanding of how the spatial distribution of atmospheric moisture content interacts with moisture transport and with physical processes such as evaporation and condensation in polar regions.

Vesihöyry on merkittävä ilmakehän kasvihuonekaasu, mutta vielä suurempi vaikutus säteilynkulkuun ilmakehän läpi on pilvillä, jotka muodostuvat, kun vesihöyry tiivistyy joko pilvipisaroiksi tai jääkiteiksi. Lisäksi latentin lämmön sitoutuminen ja vapautuminen, sekä vesihöyrynkuljetus ovat merkittävä osa lämmönsiirtoa tropiikista kohti napaalueita, joten vesihöyryllä on merkittävä osa ilmakehän energiatasapainossa. Lisäksi ilmakehän vesihöyry on merkittävässä roolissa veden kiertokulussa.

Tässä väitöskirjassa tarkastellaan ilmankosteutta ja siihen vaikuttavia prosesseja napa-alueilla. Tämän väitöskirjan tutkimukset perustuvat suurelta osin ilmakehän uusanalyyseihin, koska napa-alueilla meteorologiset havaintoverkostot ovat hyvin harvoja johtuen syrjäisistä sijainneista ja ankarista ympäristöolosuhteista. Tästä johtuen perinteiset havainnot eivät kykene antamaan kattavaa kuvaa meteorologisista olosuhteista napa-alueilla. Viime vuosina tapahtunut kehitys ilmakehän uusanalyyseissa on parantanut niiden tarkkuutta myös syrjäisillä alueilla, mikä mahdollistaa yksityiskohtaisten tutkimusten tekemisen niihin perustuen kuten ilmakehän kosteusolosuhteiden tutkimisen napa-alueilla.

Napa-alueilla suurimmaksi osaksi negatiivinen ilmakehän ja Maan pinnan yhteinen säteilytase vaikuttaa huomattavasti vesihöyryn jakaumaan ilmakehässä. Erityisesti negatiivisen säteilytaseen vaikutus näkyy ilmankosteuden pystyrakenteessa. Yleisesti tiedetään, että napa-alueet toimivat ilmankosteuden nieluina, koska haihdunta kyseisillä alueilla on usein vähäistä ja jopa kosteuden tiivistymistä pinnalle esiintyy tavallisesti. Kosteudenkuljetus matalammilta leveysasteilta tasapainottaakin kosteustaseen napa-alueilla. Tämän kaltainen kosteustase suosii kosteusinversioiden syntyä. Tämän väitöskirjan tulokset osoittavat, että kosteusinversioita esiintyy yleisesti napa-alueilla, ja että niiden syntyyn vaikuttavat olosuhteet pinnan lähellä. Talvella pinnan säteilyjäähtyminen ja sen seurauksena syntyvä lämpötilainversio ovat merkittävässä roolissa kosteusinversioiden muodostumisessa, kun taas kesällä lämpimän ja kostean ilman virtaus kylmä meren tai sulavan merijään ylle johtaa kosteusinversioiden muodostumiseen.

Noin 800hPa-painepinnan alapuolella vuorovaikutukset ilmakehän ja pinnan välillä vaikuttavat huomattavasti ilmankosteuden pystyrakenteeseen ja kosteudenkuljetukseen. Väitöskirjan tulokset osoittavat, että pinnan lähellä etelään päin suuntautunut kosteudenkuljetus suurelta osin tasapainottaa pohjoiseen päin suuntautuneen kosteudenkuljetuksen. Kosteudenkuljetus vaikuttaa myöskin huomattavasti alueelliseen ilmankosteuden jakaumaan. Väitöskirjan tulokset osoittavat, että ilmankosteuden pitkäaikaiset alueelliset muutokset liittyvät pääasiassa ilmakehän kiertoliikkeen pitkäaikaisiin muutoksiin.

Negatiivinen säteilytase, vähäinen haihdunta ja suuri kuljetuksen osuus ilmakehän kosteuden lähteenä vaikuttavat kosteusolosuhteisiin myös Antarktiksella. Väitöskirjan tulokset osoittavat, että kosteusinversiot Antarktiksella ovat vieläkin pysyvämpiä kuin Arktiksessa. Tähän on syynä Etelämantereen voimakkaampi eristäytyminen lämpimien ilmamassojen advektiolta, mikä johtuu Etelämantereen pinnanmuodoista. Väitöskirjan tulokset myöskin osoittavat, että kylmän ja kuivan ilman virtaus alaspäin Etelämantereen rinteillä mahdollistaa kosteuden haihdunnan kyseisillä alueilla johtuen ilman adiabaattisesta lämpenemisestä ja alaspäin suuntautuneesta havaittavan lämmön vuosta.