Dynamics of the coupled system troposhere/stratosphere in the extratopics

Omrani, Nour-Eddine

In this study the dynamics of the coupled troposphere/stratosphere system was investigated using the atmospheric circulation model MAECHAM5/ocean mixed layer coupled model. The focus was on the impact of the stratosphere on the troposphere. The January climatology of the model agrees well with the observations, especially in the extratropical region and below the uppermost model levels (where the sponging effect is strong). The dynamics that maintains the middle atmospheric circulation in MAECHAM5 is consistent with the middle atmospheric dynamics known from previous studies. The three-dimensional structure of the Northern Annular Mode (NAM) in MAECHMA5 agrees well with that observed. The NAM dominates not only the variability in but also the covariability between troposphere and stratosphere north of 20°N. A lag composite analysis based on the 50hPa NAM-Index (NAMI), a measure of the strength of the 'stratospheric mode', shows that strongly positive stratospheric NAM-phases are associated with strong anomalous westerlies in high latitudes and a temperature quadrupole between troposphere and lower mesosphere. The lower part of this quadrupole shows a dipole structure with an anomalous cold (warm) polar (mid-latitude) troposphere and stratosphere and is associated with a positive shear of the anomalous westerlies there. This dipole strengthens (weakens), together with the anomalous westerlies, in the NAM-increase (decrease) phase. The upper part of the temperature quadrupole shows a coherent dipole with an anomalous warm (cold) polar (mid-latitude) upper stratosphere and lowermost mesosphere and is associated with a negative shear of the anomalous zonal flow there. The warm pole in mesosphere and upper stratosphere strengthens and propagates downward together with anomalous easterlies, especially in the NAM-decrease phase. The dynamics during strong vortex is analyzed by computing the wave, residual Coriolis, and non-resolved (residual) forcing in the Transformed Eulerian Mean formulation (TEM). NAM temperature, zonal flow and geopotential height patterns and their downward propagation can be explained by the response of the stretching vorticity to residual Coriolis forcing changes, which are caused by the resolved and non-resolved wave forcing, and by quasigeostrophic adjustment of the troposphere to these changes. The persistence, increase, and downward propagation of the NAM-patterns is enhanced mainly by the planetary wave-vortex feedback that accelerates the westerlies within the coupled troposphere/stratosphere system. Thereby the strong vortex is strengthened further by the equatorward propagation of planetary waves and vice versa. The decrease and modulation of the strong NAM-anomalies is enhanced by two negative feedbacks that decelerate the westerlies in the upper and lower boundaries of the coupled troposphere/stratosphere system. The first feedback is a vortex-residual forcing feedback acting in upper stratosphere and lower mesosphere and can be explained by the filtering of gravity waves by the stratospheric jet. The second feedback acts near the lower boundary and is driven by both residual and planetary wave forcing. A lag composite analysis based on the 1000hPa-NAMI, a measure of the strength of the 'tropospheric mode', showed that tropospheric and stratospheric NAM are two different modes driven by two different forcings. In the tropospheric mode the tropospheric westerlies are induced by a strong internal wave forcing, which develops inside the troposphere on a synoptical time scale. This results in stronger tropospheric westerlies in the tropospheric mode. The stratosphere is also important in the tropospheric mode: It provides the upper troposphere with a low frequency westerly wind and wind shear and thus with enhanced baroclinicity that are associated with an amplification of the upper tropospheric wave, Coriolis and residual forcing. This forcing amplification leads then to an increase of the tropospheric circulation anomalies, which results in anomalous ascent and cooling in the Arctic and thus in a strong vortex that reaches its maximum 4-5 days later. The strong vortex contributes, through the stretching vorticity mechanism and the vortex-planetary waves forcing, to the persistence of both tropospheric and stratospheric westerlies and cooling. The stratospheric westerlies are much weaker in the tropospheric than in the stratospheric mode due to the much lower contribution of the planetary waves to the stratospheric wind anomalies in the tropospheric mode.

In dieser Studie wurde die Dynamik des gekoppelten Systems Troposphäre/Stratosphäre mit dem atmosphärischen Zirkulationsmodell MAECHAM5, gekoppelt mit einem Deck- schicht-Ozeanmodell, untersucht. Der Schwerpunkt lag auf dem Einfluß der Stratosphäre auf die Troposphäre. Bezüglich des Modells konnte festgestellt werden, dass die Januar-MAECHAM5-Klimatologie gut mit der beobachteten Klimatologie übereinstimmt. Am besten ist die Übereinstimmung in den Extratropen und unterhalb der obersten Modellschichten (wo der Sponging-Effekt stark ist). Weitere Untersuchungen zeigten, daß sowohl Dynamik als auch dreidimensionale Struktur des 'Northern Annular Mode' (NAM) in MAECHAM5 gut mit vorherigen Studien übereinstimmen. Bezüglich der Kopplung konnte durch MAECHAM5-Daten festgestellt werden, dass die NAM-Muster nicht nur die troposphärische und stratosphärische Variabilität, sondern auch die Kovariabilität zwi- schen Troposphäre und Stratosphäre nördlich von 20°N dominieren. Eine zeitverschiebende 'Composite' Analyse basierend auf dem 50hPa-NAM-Index (NA- MI), ein Maß für die Stärke des 'stratosphärischen Modes', zeigte, daß stark positive stratosphärische NAM-Phasen mit einem starken anomalen Westwind in hohen Breiten und einem Temperatur-Quadrupol zwischen Troposphäre und unterer Mesosphäre verbunden sind. Der untere Teil dieses Quadrupols hat eine Dipolstruktur mit einer anomal kalten (warmen) Tropo- und Stratosphäre an den Polen (in den mittleren Breiten) und ist mit einer anomal positiven vertikalen Windscherung assoziiert. Dieser Dipol wird zusammen mit den Westwind-Anomalien in der NAM-Zunahme (Abnahme) Phase stärker (schwächer). Der obere Teil des Temperatur-Quadrupols zeigt einen Dipol mit einer anomal warmen (kalten) oberen Strato- und Mesosphäre an den Polen (in den mittleren Breiten) und ist mit einer anomal negativen vertikalen Windscherung verbunden. Der warme Pol in Mesosphäre und oberer Stratosphäre verstärkt sich zusammen mit den Ostwind-Anomalien besonders in der NAM-Abnahmephase und breitet sich nach unten aus. Unter Anwendung des Impuls-Erhaltungssatzes in der TEM-Formulierung (Transformed Eulerian Mean) wurde außerdem die Dynamik während des starken stratosphärischen Wirbels analysiert. Die Analyse der Wellen-, Coriolis- und Residualforcings aus dem Impuls-Erhaltungssatz zeigt, dass die NAM-Strukturen der Temperatur, des Windes und der Geopotential-Höhe, sowie ihre abwärts gerichteten Ausbreitungen, aus der Antwort der 'Stretching Vorticity' auf Änderungen des Coriolisforcings und eine quasigeostrophische Anpassung der Troposphäre an diese Änderungen resultieren. Das Coriolis-Forcing wiederum wird durch das Wellen- und das Residualforcing verursacht. Persistenz, Zunahme, und abwärtsgerichtete Ausbreitung der NAM-Anomalien werden durch eine Rückkopplung zwischen planetaren Wellen und polarem Wirbel verstärkt, die den Westwind innerhalb des gekoppelten Systems Troposphäre/Stratosphäre beschleunigt. Dabei verstärken sich die anormale äquatorwärts gerichtete Ausbreitung der planetaren Wellen und der starke polare Wirbel gegenseitig. Abnahme und Modulation der starken NAM-Anomalien werden dagegen durch zwei negative Rückkopplungen erhöht, die den Westwind an der oberen und unteren Grenze des gekoppelten Systems Troposphäre/Stratosphäre verlangsamen: (1) Rückkopplung zwischen polarem Wirbel und Residualforcing in der oberen Stratosphäre und unteren Mesosphäre, die durch das Filtern der Schwerwellen durch den polaren Wirbel erklärt werden kann. (2) Rückkopplung zwischen Zonalwind und der Summe aus Residual- und planetarem Wellenforcing. Eine zeitverschiebende 'Composite' Analyse basierend auf dem 1000hPa-NAMI ('troposphärischer Mode') zeigte, dass tropo- und stratosphärischer NAM zwei verschiedene Modes sind, die von unterschiedlichen Forcings angetrieben werden. Im troposphärischen Mode werden die troposphärischen Westwinde durch starke interne Forcings ausgelöst, die sich innerhalb der Troposphäre in den synoptischen Zeitskalen entwickeln. Dies resultiert in stärkeren troposphärischen Westwinden. Die Stratosphäre ist für den troposphärischen Mode ebenfalls wichtig: sie führt zu niederfrequenten Änderungen in der oberen Troposphäre, die mit einer Verstärkung des troposphärischen Wellen-, Coriolis- und Residual-Forcings verbunden sind. Diese Verstärkung des Forcings führt dann zu troposphärischen Zirkulationsanomalien, die zu einer starken anomalen Aufwärtsbewegung führen und damit zu einem starken Vortex, der ca. 4-5 Tage später sein Maximum erreicht. Der starke Vortex trägt durch den 'Stretching Vorticity' Mechanismus und die Rückkopplung zwischen Vortex und planetaren Wellen dazu bei, dass die Westwinde und die Abkühlung in der Tropo- und Stratosphäre andauern. Die stratosphärischen Westwinde sind im troposphärischen Mode schwächer als im stratosphärischen, da die planetaren Wellen im ersteren einen wesentlich geringeren Beitrag zu den stratosphärischen Windanomalien leisten als im stratosphärischen Mode.

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Omrani, Nour-Eddine: Dynamics of the coupled system troposhere/stratosphere in the extratopics. 2007.

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