Original paper

Climatological relevance of leading seasonal singular vectors. Part I: Energy, enstrophy and spatio temporal variability

Will, Andreas; Harlander, Uwe; Metz, Werner

Meteorologische Zeitschrift Vol. 15 No. 4 (2006), p. 463 - 472

published: Aug 23, 2006

DOI: 10.1127/0941-2948/2006/0145

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Abstract

Fast growing atmospheric Rossby wave trains (RWT modes) are solutions of a Singular Vector (SV) analysis of a damped barotropic vorticity equation for northern winter basic flows. Using 40 DJF basic flows RWT modes are found over four regions of the globe only. Their propagation paths are remarkably constant for development times up to 96 h, but spread for longer times. The RWT mode with the largest 4 day growth rate develops over the North-Pacific (NPAC) region for each of the observed DJF basic flows considered. This mode is referred to as NPAC-mode. The eigenvalues, which are the 4 day kinetic energy growth factors of the NPAC mode, range from 10 to 24 for nearly all of the basic flows. In some exceptional years they are close to 30. The NPAC modes with moderate growth factors could be shown to be approximate solutions of the nonlinear model equation. Hereto a new formulation of the advection term provided by the energy-vortex theory was used. It appears that the constancy of propagation paths and the mode's shapes, the large growth factors and the validity of the linearization assumption up to development times of 96h make the NPAC mode a candidate to explain substantial parts of large scale interannual atmospheric variability in the North Pacific region.

Kurzfassung

Schnell wachsende atmosphärische Rossbywellenzüge (RWT Moden) sind Lösungen der Singulärvektor-analyse (SV-analyse) der gedämpften barotropen Vorticitygleichung für Nord-Winter Grundströme. Bei Verwendung von 40 DJF Grundströmen treten die RWT Moden in nur vier Regionen auf der Welt auf. Ihre Ausbreitungspfade sind bemerkenswert konstant für Entwicklungszeiten bis zu 96h und streuen für längere Entwicklungszeiten. Die innerhalb von 4 Tagen am schnellsten wachsenden RWT Moden breiten sich in der Region des Nordpazifiks (NPAC) für jeden der betrachteten DJF Grundströme aus. Wir bezeichnen sie deshalb als NPAC Mode. Die Eigenwerte, die die Wachstumsfaktoren der kinetischen Energie der NPAC Moden innerhalb von 4 Tagen sind, betragen zwischen 10 und 24 für fast alle Grundströme. In einigen Ausnahmejahren betragen sie nahezu 30. Es konnte gezeigt werden, dass die NPAC Moden mit moderaten Wachstumsfaktoren näherungsweise Lösungen der nichtlinearen Modellgleichung sind. Hierzu wurde eine neue Formulierung des Advektionstermes verwendet, die im Rahmen der Energie-Wirbel-Theorie abgeleitet wurde. Die Konstanz der Ausbreitungspfade und der räumlichen Struktur der Mode, die großen Wachstumsfaktoren und die Gültigkeit der Linearisierungsannahme für Entwicklungszeiten bis zu 96 h machen die NPAC Mode zu einer dynamischen Struktur, die wichtige Teile der großräumigen interannuellen Variabilität in der Region des Nordpazifiks erklären könnte.