Original paper

A dynamical mechanism for tropopause sharpening

Wirth, Volkmar

Meteorologische Zeitschrift Vol. 13 No. 6 (2004), p. 477 - 484

published: Dec 23, 2004

DOI: 10.1127/0941-2948/2004/0013-0477

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Abstract

Observed composite profiles of buoyancy frequency squared N2 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 N2 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 N2. 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 N2 in the vortex center for cyclones, while it implies vertical convergence and a material increase of N2 for anticyclones. The ensueing evolution leads to an asymmetry between cyclones and anticyclones, allowing a net effect to remain on average.

Kurzfassung

Beobachtete mittlere Profile des Quadrats der Brunt-Väilälä-Frquenz N2 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 N2 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 N2 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 N2 im Wirbelzentrum von Zyklonen, und umgekehrt erhält man Vertikalkonvergenz und damit materielle Zunahme von N2 im Falle von Antizyklonen. Die anschliessende Entwicklung bringt eine Asymmetrie zwischen Zyklonen und Antizyklonen mit sich, sodass im Mittel ein Nettoeffekt übrig bleibt.