Eine Studie zum Rossby-Wellenbrechen in der oberen Troposphäre der winterlichen Südhemisphäre

Das Wellenbrechungsphänomen von planetaren Wellen kann oft in der winterlichen oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre beobachtet werden. Rossby-Wellen, die sich ostwärts in der Umgebung des subtropischen Strahlstroms (Jet) ausbreiten, verstärken sich stromabwärts in der Schwachwindregion. Luftmassen werden relativ schnell bewegt und rollen sich zyklonal oder antizyklonal ein. Nach einer relativ langen Lebenszeit dieser Anomalien werden die Luftmassen mit der umgebenden Luft vermischt. Nahezu die gleichen Strukturen werden in verschiedenen isentropen Schichten nahe der Tropopause beobachtet, was die barotrope Natur dieser Ereignisse zeigt. Der Einfluss des barotropen Deformationsfeldes auf Charakteristika des Rossby-Wellenbrechens wurde von vielen Autoren für den Winter der Nordhalbkugel untersucht (Peters & Waugh, J. Atmos. Sci., 53, 1996). Es ist bekannt, dass die winterlichen groräumigen Strukturen der oberen troposphärischen Zirkulation der Südhalbkugel sich von der der Nordhalbkugel unterscheiden.

In dieser Arbeit werden das "Potentielle Vorticity" (PV) - Denken (d.h. wegen der Erhaltung der Ertelschen PV (EPV) auf isentropen Flächen im reibungsfreien und adiabatischen Fall sind die EPV-Konturen mit den Strömungslinien identisch) und barotrope Scherungsargumente benutzt, um die südhemisphärische Luftströmung im Winter zu untersuchen. Wir werden uns auf das Rossby-Wellenbrechen in der oberen Troposphäre mittlerer Breiten konzentrieren. Die auf NCEP Re-Analysen basierenden monatlich gemittelten Winde werden benutzt, um die mittlere Strömungsstruktur auf Druckflächen zu untersuchen, d.h. die zwischenjährliche und intrasaisonale Variabilität der Süd- und Nordhalbkugel für die Periode 1982-1994. Die tägliche Variation der winterlichen Strömung wird für die Jahre 1990 bis 1993 auf der Basis der täglichen EZMW-Analysen studiert. Da wir an der Charakteristik der Rossby-Wellen interessiert sind, konzentrieren wir uns auf die Entwicklung der Größen auf Isentropen-Flächen. Gleitende Mittelwerte des zonalen Windes wurden berechnet, um die Grundzustände, in denen sich die Wellen ausbreiten können, zu bestimmen. Die Entwicklung der Strömung wird mittels EPV, basierend auf den Analysen, zusammen mit Konturadvektions (KA)-Rechnungen untersucht. Diese Rechnungen wurden mit den "analysierten" EPV-Konturen nahe der Tropopause initialisiert und mit "analysierten" Winden bewegt. In allen Fällen gibt es eine gute Übereinstimmung zwischen der "analysierten" EPV und den Konturen der KA-Rechnungen, wobei die KA-Rechnungen die feineren Strukturen zeigen, die von der "analysierten" EPV nicht aufgelöst werden kann.

Abb. 1: Schematische Darstellung der 4 idealisierten Zonalwind-Konfigurationen in einem Sektor: a) einfacher subtropischer Jet (SJ), b) "geteilter" Jet (BJ), c) Doppeljet stromauf des subtropischen Jets STJ (DU), d) Doppeljet stromab des subtropischen Jets (DD).

Obwohl die südhemisphärische Strömung mehr zonal symmetrisch ist als die der Nordhemisphäre, gibt es noch längenabhängige Variationen der Strömung in der Südhemisphäre. Beide, der subtropische Jet (STJ) und der polare Jet (PJ), haben lokal hervorgehobene Maxima: der STJ über der australisch-  pazifischen Ozeanregion und der PJ über dem indischen Ozean. Es gibt eine große zwischenjährliche und intrasaisonale Variabilität in der Position und Stärke der Jets in der Südhalbkugel und es treten zwei Zentren der maximalen STJ-Variabilität auf; eines über Australien und ein anders über dem pazifischen
Ozean. Die höchste Variabilität des PJ befindet sich nördlich des Ross-Schelfeises, die in Verbindung mit der Stärke des PJ über dieser Region steht. Die Strömungen in dem australisch-asiatischen Sektor sind typisch für die verschiedenen Strömungskonfigurationen, die auch in anderen Sektoren der Südhemisphäre während des Winters auftreten. Diese vier charakteristischen Strömungen innerhalb eines Sektors sind schematisch in Abb. 1 dargestellt; 1a): ein einfacher STJ im ganzen Sektor und keinen PJ, bezeichnet als ("SJ") Regime; 1b): ein geteilter STJ innerhalb des Sektors, mit einer möglichen Zunahme des PJ nahe der geographischen Länge der Abschwächung, das geteilte Jet ("BJ") Regime; 1c): ein PJ stromauf des STJ, Doppeljet stromauf ("DU") ; 1d): ein PJ stromab von dem STJ, Doppeljet stromab ("DD") Regime. Ausgehend von EPV- und Scherungsargumenten (siehe oben) erwarten wir wegen der unterschiedlichen Jetstrukturen unterschiedliche Wellenausbreitung- und Brechungseigenschaften. In der SJ-Konfiguration erwarten wir vorherrschend äquatorwärts gerichtetes Wellenbrechen, entweder stromab- oder stromaufwärts vom STJ. In der BJ-Konfiguration erwarten wir polwärts gerichtetes Wellenbrechen, mit relativ starkem antizyklonalen Einrollen. In der DU-Konfiguration erwarten wir generell ein "symmetrisches" Wellenbrechen, weil kompensierende Effekte der Scherungskräfte auftreten. In der DD-Konfiguration erwarten wir polwärts gerichtetes Wellenbrechen mit antizyklonalem Einrollen. Es ist zu beachten, dass die spezielle Entwicklung sowohl von der Amplitude der Rossby-Welle als auch von der Stärke des Jets bzw. der Jets in dem jeweiligen Fall abhängt.

Abb. 2: ZonalerWind, EPV und KA-Rechnungen auf der 330 K Isentropen-Fläche für den 15.-19.7.1992. (a) mittlerer Zonalwind über 5 Tage gemittelt (Konturintervall 10 m/s), (b) geglättete EPV am 15.7. (Konturintervall -0,5 PVU, beginnt mit -2 PVU), (c) EPV am 17.7. (Konturintervall -1 PVU, beginnt mit -2 PVU), und (d), (e),(f) KA-Rechnungen am 16., 17. und 19.7. (die Rechnung wurde am 15.7 mit der geglätteten -2,5 PVU- Kontur gestartet).

Wir haben die Ausbreitung und Brechung für Perioden untersucht, in die sich der australische Sektor in einer der oben de nierten Konfigurationen befand. Zum Beispiel, Abb. 2 zeigt eine Periode mit einer BJ-Kon guration in dem Sektor.
Für diese Periode bestimmten wir den 5-Tage gemittelten zonalen Wind, Karten von EPV auf der 330 K Isentropen-Fläche und führten KA-Rechnungen durch. In Abb. 2 werden Ergebnisse für die Periode vom 15. bis 20. July 1992 gezeigt. Der
STJ ist schwach über dem südlichen Australien mit maximalen Winden von 40 m/s (östlich und westlich von Australien) (a). EPV-Karten (b), (c) und KA-Rechnungen (d)-(f) zeigen eine Rossby-Welle, die sich über dem südlichen Australien ostwärts ausbreitet, stark vom (15.-16. Juli) anwächst und dann polwärts bricht (17. Juli). Eine große Luftmasse rollt sich antizyklonal über Neuseeland ein (19. Juli) und vermischt sich dann wieder. Diese Entwicklung ist in übereinstimmung mit obigen EPV- und Scherungsargumenten. Fallstudien für Perioden, in denen sich der Sektor in einer anderen Kon guration befand, zeigten eine ähnliche gute Übereinstimmung mit den EPV- und Scherungsargumenten (Peters & Waugh, Month. Weather Rev., 131, 2003).

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