Original paper

Potential Momentum and the equilibration of short Charney waves

Zurita-Gotor, Pablo; Lindzen, Richard S.

Meteorologische Zeitschrift Vol. 15 No. 4 (2006), p. 389 - 399

published: Aug 23, 2006

DOI: 10.1127/0941-2948/2006/0141

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ArtNo. ESP025011504002, Price: 29.00 €

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Abstract

This paper proposes a new formalism for studying the extratropical circulation, based on the concept of potential momentum. Mathematically, the potential momentum is defined as the zonal momentum profile that produces the same potential vorticity distribution as the baroclinic term. Physically, easterly (westerly) potential momentum is associated with isentropic layers that open up (close down) with latitude. The former is the case in the extratropical troposphere, and gives a negative contribution to the interior potential vorticity gradient. Likewise, the surface temperature variance is interpreted in this framework as a reservoir of easterly potential momentum at the surface. With this redefinition of the mean flow, the wave-mean flow interaction problem can be recast in a form that is reminiscent of the barotropic framework. In particular, the eddy PV flux is the only wave-mean flow interaction term, and exchanges eddy pseudo momentum and mean flow momentum (which includes both the standard momentum and potential momentum) locally. On the other hand, the partition of the mean flow momentum between its physical and potential components is determined remotely, subject to the thermal wind constraint. This constraint is enforced by a residual circulation that exchanges both terms without affecting the total momentum or the full PV gradient. The potential momentum framework relates thermal homogenization at the surface to the net interior eddy absorption, regardless of whether this results from a meridional or a vertical EP convergence. This helps explain previous results by the same authors that a limited interior PV gradient does not constrain thermal homogenization at the surface, since in the 3D problem the waves can also refract meridionally to be absorbed at other latitudes.

Kurzfassung

Zur Entwicklung eines besseren Verständnis der extratropischen Zirkulation wird ein neuer Formalismus vorgestellt, der auf dem Konzept des potentiellen Impuls basiert. Mathematisch gesprochen ist der potentielle Impuls definiert als das zonale Impulsprofil, welches die gleiche potentielle Vorticity-Verteilung ergibt wie der barokline Streckungsterm. So weiten sich bei einem nach Westen gerichteten potentiellen Impuls die isentropen Flächen polwärts auf, bei einem nach Osten gerichteten verengen sie sich. Ersteres ist der Fall in der extratropischen Atmosphäre, was einen negativen Beitrag zum internen potentiellen Vorticity-Gradienten liefert. Innerhalb dieses Konzepts wird die Abweichung der Bodentemperatur vom globalen Mittel als eine Quelle von nach Westen gerichtetem potentiellen Impuls am Boden gedeutet. Mit einer solchen Neudefinition des zonal gemittelten Grundstroms kann das Problem der Grundstrom-Welle-Wechselwirkung in eine Form gebracht werden, die formal dem barotropen Fall entspricht. So ist der Fluss des Störungsanteils der potentiellen Vorticity (PV) der einzige Grundstrom-Welle-Wechselwirkungsterm, der für einen lokalen Austausch sorgt zwischen dem Störanteil von Pseudoimpuls und dem Impuls des Grundstromes (der hier sowohl den gewöhnlichen Impuls, als auch den potentiellen Impuls beinhaltet). Die Aufteilung des totalen Grundstromimpulses in physikalische und potentielle Komponenten erfolgt durch eine nicht-lokale Beschreibung mit der thermischen Windbeziehung als Nebenbedingung. Eine ageostrophische Querzirkulation sorgt für den Austausch zwischen den beiden Impulsanteilen und hält dabei die thermische Windbeziehung aufrecht, ohne jedoch den Gesamtimpuls oder den totalen PV-Gradienten zu beeinflussen. Das Konzept des potentiellen Impulses setzt den Abbau thermischer Gradienten in Bodennähe in Beziehung zur Gesamtabsorption von Störungen im Inneren der Atmosphäre. Diese Beziehung ist unabhängig von der Annahme einer meridionalen oder vertikalen Konvergenz des Eliassen-Palm (EP) Flusses. Die Beziehung kann auch frühere Ergebnisse der Autoren erklären, nämlich dass ein begrenzter PV-Gradient im Inneren der Atmosphäre den Abbau thermischer Gradienten am Boden nicht erzwingen kann, da sich Wellen bei einer dreidimensionalen Betrachtung auch in meridionaler Richtung ausbreiten und damit in Breiten fern ab vom Entstehungsort absorbiert werden können.