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Variability of large-scale atmospheric circulation indices for the northern hemisphere during the past 100 years

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Abstract:

We present an analysis of the large-scale atmospheric circulation variability since 1900 based on various circulation indices. They represent the main features of the zonal mean circulation in the northern hemisphere in boreal winter (such as the Hadley circulation, the subtropical jet, and the polar vortex in the lower stratosphere) as well as aspects of the regional and large-scale circulation (the Pacific Walker Circulation, the Indian monsoon, the North Atlantic Oscillation, NAO, and the Pacific North American pattern, PNA). For the past decades we calculate the indices from different reanalyses (NCEP/NCAR, ERA-40, JRA-25, ERA-Interim). For the first half of the 20 century the indices are statistically reconstructed based on historical upper-air and surface data as well as calculated from the Twentieth Century Reanalysis. The indices from all these observation-based data sets are compared to indices calculated from a 9-member ensemble of "all forcings" simulations performed with the chemistry-climate model SOCOL. After discussing the agreement among different data products, we analyse the interannual-to-decadal variability of the indices in the context of possible driving factors, such as El Niño/Southern Oscillation (ENSO), volcanic eruptions, and solar activity. The interannual variability of the Hadley cell strength, the subtropical jet strength, or the PNA is well reproduced by the model ensemble mean, i.e., it is predictable in the context of the specified forcings. The source of this predictability is mainly related to ENSO (or more generally, tropical sea-surface temperatures). For other indices such as the strength of the stratospheric polar vortex, the NAO, or the poleward extent of the Hadley cell the correlations between observations and model ensemble mean are much lower, but so are the correlations within the model ensemble. Multidecadal variability and trends in the individual series are discussed in the context of the underlying anthropogenic and natural forcings. While consistent trends were found for some of the indices, results also indicate that care should be taken when analysing trends in reconstructions or reanalysis data.

German
Diese Studie präsentiert Ergebnisse einer Analyse der Variabilität der großräaumigen, atmosphärischen Zirkulation seit 1900, basierend auf verschiedenen Zirkulationsindizes. Die Indizes umfassen sowohl die Hauptcharakteristika der zonal gemittelten, nordhemisphärischen Zirkulation im Nordwinter (z.B. Hadley-Zirkulation, Subtropenjet und polarer Vortex in der unteren Stratosphäre) als auch Aspekte der regionalen und großräumigen Zirkulation (pazifische Walker-Zirkulation, indischer Monsun, nordatlantische Oszillation (NAO) und das "Pacific North American"-Muster (PNA)). Die Indizes wurden für die letzten Dekaden aus verschiedenen Reanalysen berechnet (NCEP/NCAR, ERA-40, JRA-25, ERA-Interim). Für die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden sie dagegen, basierend auf historischen Bodendaten und Messdaten aus der freien Troposphäre, statistisch rekonstruiert und zusätzlich aus der "Twentieth Century"-Reanalyse berechnet. All diese auf Messungen basierenden Indizeszeitreihen werden in der vorliegenden Studie mit entsprechenden, aus einem Ensemble von 9 Simulationen gewonnenen Indizeszeitreihen verglichen (alle externen "Forcings" aktiviert, Chemie-Klimamodell SOCOL). Nach der genaueren Betrachtung des Grades der Übereinstimmung zwischen den verschiedenen Produkten wird die interannuelle und dekadale Variabilität der Indizes im Kontext möglicher Einflussfaktoren wie El Niño/Southern Oscillation (ENSO), Vulkanausbrüchen und Sonnenaktivität analysiert. Die interannuelle Variabilität der Hadleyzellstärke, des Subtropenjets oder des PNA-Musters wird vom Ensemblemittel des Modells erfolgreich reproduziert, d.h. sie ist vorhersagbar bei Kenntnis der spezifischen "Forcings". Die Quelle der Vorhersagbarkeit liegt im Wesentlichen in der ENSO-Variabilität. Für andere Indizes wie die Stärke des stratosphärischen, polaren Vortex, die NAO oder die polwärtige Ausdehnung der Hadleyzelle sind die Korrelationen zwischen "Beobachtungen" und dem Ensemblemittel des Modells viel kleiner. Dasselbe gilt aber gleichermaßen für die Korrelationen innerhalb des Ensembles. Multidekadale Variabilität und Trends in den Zeitreihen werden im Zusammenhang mit zugrunde liegenden anthropogenen als auch natürlichen Antriebsfaktoren besprochen. Obwohl für einige Indizes konsistente Trends gefunden werden konnten, zeigen die Ergebnisse auch, dass beim Ableiten von Trends aus Reanalyse- oder Rekonstruktionsdaten Vorsicht geboten ist.

Document Type: Research Article

DOI: http://dx.doi.org/10.1127/0941-2948/2009/0389

Publication date: August 1, 2009

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