Solar influences on polar modes of variability

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Abstract:

We present a multiple regression analysis of time series of the leading modes of variability in high latitudes, the Northern and Southern Annular Modes (NAM and SAM). The potential forcing factors we investigate include solar activity and stratospheric (volcanic) aerosol, the quasi-biennial oscillation, the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) and stratospheric ozone concentrations. We investigate levels from the surface to the middle stratosphere and we also conduct a similar analysis of the North Atlantic Oscillation (NAO) in surface pressure. We find a significant trend in SAM at all levels and in surface NAM but not in the NAO. There is some correlation of ENSO with both the SAM and NAM, with warm events being associated with weakening of the polar vortices. Strong volcanic aerosol signals are found with different signs in the two hemispheres. There is a clear solar influence on the NAO but no statistically significant signals of solar forcing are found in either the NAM or SAM. The QBO is not detected except, marginally, in the NAM in winter. However, when a new index, the product of the solar and QBO indices, is used in place of the two factors individually then a good correlation is found throughout the atmosphere in the SAM, and at the lower levels in the winter NAM. The different results for the NAO and surface NAM lead us to conclude, speculatively, that a (solar) stratospheric influence on the troposphere may well be through two different routes. The first of these is the influence of low latitude lower stratospheric heating on the Hadley circulation and mid-latitude eddies and thus on the NAO; the second is modulation, by a combination of solar and QBO forcing, of the polar stratosphere which influences the annular modes in both the northern and southern hemispheres.

German
Wir präsentieren eine multiple Regressionsanalyse von Zeitreihen der wichtigsten Variabilitätsmoden in hohen Breiten, der nördlichen und südlichen ringförmigen Moden (NAM und SAM). Die potentiellen Antriebsfaktoren, die wir untersuchen, umfassen die Sonnenaktivität, stratosphärisches (vulkanisches) Aerosol, die Quasi-zweijährige Schwingung (QBO), El Niño-Southern Oscillation (ENSO) und stratosphärische Ozonkonzentrationen. Wir betrachten Höhen vom Boden bis in die mittlere Stratosphäre, und wir führen eine ähnlich Analyse der Nordatlantik-Oszillation (NAO) durch. Wir beobachten einen signifikanten Trend für den SAM in allen Höhen und für den bodennahen NAM, jedoch nicht für die NAO. Es gibt eine gewisse Korrelation zwischen ENSO und SAM, respektive NAM, wobei warme Phasen der ENSO mit einer Schwächung der Polarwirbel einhergehen. Starke Signale von vulkanischem Aerosol werden mit verschiedenen Vorzeichen in beiden Hemisphären beobachtet. Die Sonne hat einen deutlichen Einfluss auf die NAO, aber es werden keine statistisch signifikanten Signale von solarem Antrieb für den NAM oder SAM gefunden. Die QBO kann nicht nachgewiesen werden, außer, in geringem Maße, für den NAM im Winter. Wenn allerdings ein neuer Index, das Produkt der solaren und QBO-Indices anstelle der beiden einzelnen Faktoren benutzt wird, beobachtet man eine gute Korrelation für den SAM überall in der Atmosphäre und in geringen Höhen für den Winter-NAM. Die verschiedenen Ergebnisse für die NAO und den Boden-NAM führen uns zu dem spekulativen Schluss, dass ein (solarer) stratosphärischer Einfluss auf die Troposphäre auf zweierlei Art gegeben sein kann. Einerseits beeinflusst die Erwärmung in der unteren Stratosphäre niedriger Breiten die Hadley-Zirkulation und die Wirbel der mittleren Breiten und somit die NAO; andererseits kann eine Kombination aus solarem und QBO-Antrieb die polare Stratosphäre modulieren, wodurch wiederum die jährlichen Moden sowohl in der nördlichen als auch in der südlichen Hemisphäre beeinflusst werden.

Document Type: Research Article

DOI: http://dx.doi.org/10.1127/0941-2948/2006/0123

Publication date: June 1, 2006

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