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A dynamical mechanism for tropopause sharpening

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Abstract:

Observed composite profiles of buoyancy frequency squared in the extratropical tropopause region show characteristic features including a pronounced peak right above a very sharp tropopause. Earlier work suggested that these features are, at least partly, due to the impact of conservative balanced dynamics during the formation of anomalies from a large scale background atmosphere. This result was obtained using the twin principle of conservation and invertibility of Ertel potential vorticity (PV). The interpretation remained difficult, since is mostly affected by the vertical wind, which is highly implicit in the PV based method used. The current work provides a mechanistic explanation of tropopause sharpening by explicitly focussing on the vertical wind and its impact on. A balanced slab symmetric reference flow is forced by superimposing a barotropic deformation field. The resulting Sawyer-Eliassen secondary circulation is computed numerically. This secondary circulation implies vertical divergence and a material decrease of in the vortex center for cyclones, while it implies vertical convergence and a material increase of for anticyclones. The ensueing evolution leads to an asymmetry between cyclones and anticyclones, allowing a net effect to remain on average.

German
Beobachtete mittlere Profile des Quadrats der Brunt-Väilälä-Frquenz N 2 in der extratropischen Tropopausenregion sind durch bestimmte Merkmale charakterisiert, deren wichtigstes ein deutliches Maximum direkt oberhalb der sehr scharfen Tropopause ist. Eine frühere Arbeit hatte nahegelegt, dass diese Merkmale zumindest teilweise auf den Einfluss konservativer balancierter Dynamik zurückzuführen sind, wenn auf einer großskaligen Hintergrundsströmung Anomalien entstehen. Dieses Resultat basierte auf dem Zwillingsprinzip der Erhaltung und Invertierbarkeit von Ertels Potentieller Vorticity (PV). Die Interpretation gestaltete sich schwierig, da N 2 primär durch den Vertikalwind beeinflusst wird, der bei der verwendeten PV-Methode nur sehr implizit auftaucht. Die vorliegende Arbeit bietet eine mechanistische Erklärung für das Schärferwerden der Tropopause an, indem explizit der Vertikalwind und sein Einfluss auf N 2 betrachtet werden. Eine balancierte, translationsinvariante Referenzströmung wird durch ein überlagertes Deformationsfeld angetrieben und die daraus resultierende Sekundärzirkulation gemäß Sawyer und Eliassen numerisch berechnet. Diese Sekundärzirkulation impliziert Vertikaldivergenz und damit materielle Abnahme von N 2 im Wirbelzentrum von Zyklonen, und umgekehrt erhält man Vertikalkonvergenz und damit materielle Zunahme von N 2 im Falle von Antizyklonen. Die anschliessende Entwicklung bringt eine Asymmetrie zwischen Zyklonen und Antizyklonen mit sich, sodass im Mittel ein Nettoeffekt übrig bleibt.

Document Type: Research Article

DOI: http://dx.doi.org/10.1127/0941-2948/2004/0013-0477

Publication date: December 1, 2004

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