The portable university model of the atmosphere (PUMA): Storm track dynamics and low-frequency variability

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Abstract:

The ability of analysing atmospheric dynamics by idealized experiments using a simplified circulation model is illustrated in three related studies. The investigations focus on the organization of localized strom tracks, their impact on low-frequency variability, and on the response to external thermal forcing. A localized storm track in agreement with observations is forced by a heating dipole embedded in a zonally symmetric field if the dipole orientation corresponds to the Northern Hemisphere winter case. The interaction of two storm tracks leads to low-frequency variability. Spatial resonance between a low-frequency large scale retrograde travelling wave and the storm track eddies is identified causing the fluctuations. Teleconnection pattern remarkably similar to the observed North Atlantic Oscillation (NAO) and Pacific North American (PNA) pattern emerge when the distance of the two storm tracks is set to the observed value of about 150°. While the spatial resonance mechanism forces the NAO-like pattern, baroclinic processes are related to the PNA-like teleconnection. Anomalies induced by large scale thermal forcing strongly depend on the background flow. A non-linear response is observed in the model depending on the sign of the forcing and its position relative to the storm track. A baroclinic and an equivalent barotropic component defines the response. In addition, the change of the space-time variability is affected by eddy feedbacks.

German
Die Leistungsfähigkeit von idealisierten Experimenten mit einem vereinfachten Zirkulationsmodell bei der Analyse der atmosphärischen Dynamik wird anhand dreier miteinander verbundener Studien veranschaulicht. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf die Organisation lokalisierter Stormtracks und deren Einfluss auf die niederfrequente Variabilität sowie die Antwort auf einen externen Antrieb. Ein lokalisierter Stormtrack in Übereinstimung mit Beobachtungen wird durch einen Heizungs-Dipol erzeugt, der in ein zonal symmetrisches Feld eingebettet ist und dessen Orientierung dem nordhemisphärischen Winter Fall entspricht. Die Wechselwirkung zweier Stormtracks führt zu langperiodischen Schwankungen. Ein Mechanismus räumlicher Resonanz zwischen langperiodischen, mit einer retrograd wandernden Welle verbundenen Schwankungen, und den synoptischen Störungen des Stormtracks wird als Ursache der Variabilität identifiziert. Telekonnektionsmuster, die bemerkenswert mit der Nord-Atlantischen Oszillation (NAO) und dem Pazifik NordAmerikanischen (PNA) Muster übereinstimmen, treten bei einem Stormtrack Abstand von 150° auf. Während die räumliche Resonanz das simulierte NAO-Muster antreibt, sind im Modell barokline Prozesse mit dem PNA-Muster verbunden. Durch einen großskaligen thermischen Antrieb verursachte Anomalien hängen vom Grundzustand ab. Eine nichtlineare Antwort abhängig vom Vorzeichen und der Position des Antriebs wird beobachtet, die sich aus einem baroklinen und einem äquivalent barotropen Anteil zusammensetzt. Auch die Variabilität in Raum und Zeit wird durch Rückkopplungsmechanismen mit den Stormtrack Störungen beeinflusst.

Document Type: Research Article

DOI: http://dx.doi.org/10.1127/0941-2948/2005/0074

Publication date: December 1, 2005

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