Der Einfluss stationärer Wellen auf die Annularen Moden der Troposphäre und Stratosphäre

Die großskalige Variabilität der extratropischen Troposphäre und Stratosphäre wird auf den Zeitskalen von Wochen bis zu Jahren von den so genannten Annulare Moden dominiert, die ein ringförmiges Muster um den Pol beschreiben. Der Unterschied zwischen dem nord- und südhemisphärischen Annularen Mode wird im Allgemeinen auf die unterschiedliche Anregung stationärer Wellen in den beiden Hemisphären zurückgeführt.

Hier wird über den Einfluss der einzelnen Anregungen planetarer Wellen aus Orographie und Land-Meer Verteilung auf die Annularen Moden berichtet (Körnich et al., Geophys. Res. Lett., 30, 2003). Dazu wird das mechanistisches Modell KMCM der atmosphärischen Zirkulation genutzt. Ausgehend von einem Experiment ohne Anregung stationärer Wellen wird entweder nur die Orographie (Experiment WO) oder die Land-Meer-Verteilung (Experiment QCM) berücksichtigt. Schließlich werden beide Anregungen im Experiment FULL kombiniert. Für jedes Zirkulationsexperiment wird eine Datenreihe von 10 Jahren zu konstanten Winterbedingungen erstellt.

In der Troposphäre ergibt jedes Zirkulationsexperiment einen intern induzierten Annularen Mode. Die entsprechenden Muster wurden über die empirischen orthogonalen Funktionen des Geopotentials auf 300 hPa bestimmt und sind für die Experimente mit Anregung stationärer Wellen in der Abbildung 1 dargestellt. Die Muster weisen dabei deutliche Unterschiede in ihrer Stärke auf. Der Annulare Mode mit der schwächsten zonal symmetrischen Komponente tritt bei alleiniger Anregung durch Orographie auf (Abb. 1b). Dagegen zeigt das Muster bei Kombination von Orographie und Land-Meer-Verteilung den stärksten zonal symmetrischen Anteil mit deutlichen Aktionszentren über den Ozeanen (Abb. 1c). Für diese Anregung stationärer Wellen stimmt der Annulare Mode näherungsweise mit dem beobachteten Muster der winterlichen Nordhemisphäre überein.

Die stratosphärischen Variabilitätsmuster der Experimente wurden anhand der führenden empirischen orthogonalen Funktionen des Geopotentials auf 10 hPa und des zonal gemittelten Zonalwinds untersucht. Hierbei tritt allein für die Kombination von Orographie und Land-Meer- Verteilung ein stratosphärischer Annularer Mode mit einer starken Schwankung des Polarwirbels auf. Außerdem finden nur bei dieser Anregung stationärer Wellen stratosphärische Erwärmungen und ein Herabschreiten einer polaren Temperaturschwankung statt. Dieses Experiment ist vergleichbar mit der beobachteten, winterlichen Nordhemisphäre.

Abb. 1: Empirische orthogonale Funktionen des tiefpassgefilterten Geopotentials auf 300hPa für die Experimente QCM (a), WO (b) und FULL (c). Die Muster sind mit der Standardabweichung der zugehörigen Hauptkomponente gewichtet. Die beschriebene Varianz jeder Funktion steht im jeweiligen Titel. Alle Abbildungen zeigen die jeweilig erste Funktion außer in (b), wo die vierte dargestellt ist. Das Konturintervall beträgt 20 m. Positive Werte sind rot schattiert, negative blau.

Um die Unterschiede zwischen den Annularen Moden der Experimente zu interpretieren wurde untersucht, wie die zu den Moden gehörige Schwankung des zonal gemittelten Zonalwinds angetrieben wird. Dazu wird der meridionale Wellenvorticityuss in lineare und nichtlineare Beiträge bezüglich der Abweichung von der klimatologischen Welle zerlegt. Es konnte gezeigt werden, dass in allen Experimenten die nichtlinearen Anteile des meridionalen Wellenvorticityusses einen wichtigen Beitrag zur Windschwankung liefern (weiß in Abb. 2). Hierbei ist der Wellenuss aus den synoptischen Wellen bestimmend. Der entscheidende Unterschied zwischen den Experimenten besteht in dem linearen Beitrag der stationären Wellen (schwarz in Abb. 2). Erst bei der Kombination von der Orographie und der Land Meer-Verteilung trägt dieser Anteil zu dem Wellenvorticity uss bei und spielt eine wichtige Rolle in der zonal gemittelten Impulsbilanz des Annularen Modes. Außerdem wird für diese Anregung stationärer Wellen die quasi-stationäre Welle in den Phasen des Annularen Modes durch die lineare Ausbreitung der stationären Wellen im geänderten zonal gemittelten Zonalwind beschrieben. Hiermit ergibt sich eine positive Rückkopplung der stationären Wellen auf den Annularen Mode, die allein bei der Kombination von Orographie und Land-Meer-Verteilung stattfindet.

Abb. 2: Kompositdifferenz zwischen Phasen mit positiver und negativer Hauptkomponente des Annularen Modes für den meridionalen Wellenvorticity uss in den Experimenten FULL (durchgezogen), WO (gestrichelt) und QCM (gepunktet). Der Fluss ist aufgeteilt in den linearen (schwarz) und nichtlinearen (weiß) Beitrag.

Mit der Rückkopplung der stationären Wellen auf den Annularen Mode wird der Eliassen- Palm-Fluss von der Troposphäre in die Stratosphäre moduliert (Abb. 3). Hieraus folgt eine Kopplung zwischen der troposphärischen und stratosphärischen Variabilität. Allein bei der Kombination von Orographie und Land-Meer-Verteilung weist der Eliassen-Palm-Fluss in der negativen Phase des Annularen Modes eine verstärkte pol- und aufwärts gerichtete Komponente auf, mit der die starke Schwankung des Polarwirbels in diesem Experiment zusammenhängt.

Abb. 3: Kompositdifferenz zwischen Phasen mit positiver und negativer Hauptkomponente des Annularen Modes für den Eliassen-Palm-Fluss der stationären Wellen und seine Divergenz im Experiment WO (a) und FULL (b). Das Konturintervall beträgt 0,5*10^15 m³. Positive Werte sind hell schattiert, negative dunkel.

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