Original paper

The interaction between the stratosphere and the troposphere as revealed by singular vectors

Hooghoudt, Jan-Otto; Barkmeijer, Jan

Meteorologische Zeitschrift Vol. 16 No. 6 (2007), p. 723 - 739

published: Dec 17, 2007

DOI: 10.1127/0941-2948/2007/0254

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Abstract

Stratospheric singular vectors (S-SV's) have been calculated with one of the latest versions of the ECMWF model, for the months January and July 2004-2006. Basic properties as amplification, wavenumber spectra and preferred geographical position are studied. In January, the majority of these S-SV's amplify by growing on the background wind shear of the polar vortex. For July, the amplification of the S-SV's is mainly associated with the tropospheric summer jet, that extends above 100 hPa. The S-SV's are located lower (100 to 50 hPa) in the stratosphere than the January SV's and their amplification is less. We have also calculated S-SV's during the stratospheric sudden warming (SSW) of January 2006. The amplification factor of the S-SV's does not seem to be affected by the SSW. The breaking of the polar vortex is however clearly reflected in the preferred geographical location of the S-SV's. In addition to these 'pure' stratospheric SV's, perturbations have been calculated that initially are located in the stratosphere, but that are optimized to maximize the perturbation energy growth in the low troposphere (below 500 hPa) on a time scale of 48 and 120 hours. Basic properties of this type of SV's are studied. First results, for these Stratosphere-Troposphere SV's (STSV's), show that they mainly seem to rely on the tropospheric jet to maximize their amplification. From a non-modal point of view, small-scale structures with maximal amplitude around total wavenumber 10 seem to be important in the interaction between the stratosphere and troposphere.

Kurzfassung

Stratosphärische Singuläre Vektoren (S-SVs) wurden mit einer der neuesten Versionen des ECMWF Modells für die Monate Januar und Juli 2004-2006 berechnet. Grundlegende Eigenschaften wie Amplifizierung, Wellenzahlspektren und bevorzugte geographische Lage wurden untersucht. Im Januar wird die Mehrheit dieser S-SVs durch ein Anwachsen der Hintergrundswindscherung des polaren Vortex verstärkt. Im Juli steht die Verstärkung der S-SVs vor allem im Zusammenhang mit dem troposphärischen Sommerstrahlstrom, der sich auf über 100 hPa erstreckt. Im Juli befinden sich die S-SVs niedriger (100 bis 50 hPa) in der Stratosphäre als im Januar und ihre Amplifizierung ist geringer. Darüber hinaus haben wir die S-SVs während der Plötzlichen Stratosphärischen Erwärmung (PSE) im Januar 2006 berechnet. Der Amplifizierungsfaktor der S-SVs scheint nicht durch die PSE beeinflusst zu sein. Das Aufbrechen des polaren Vortex spiegelt sich jedoch deutlich in der bevorzugten geographischen Lagen der S-SVs wider. Zusätzlich zu diesen rein stratosphärischen SVs wurden Störungen berechnet, die sich zunächst in der Stratosphäre befinden, aber optimiert wurden, um das Energiewachstum in der unteren Troposphäre (unterhalb von 500 hPa) über eine Zeitskala von 48 und 120 Stunden zu maximieren. Grundlegende Eigenschaften dieser Art von SVs werden untersucht. Erste Ergebnisse für diese Stratosphäre-Troposphäre-SVs (ST-SVs) zeigen, dass die Maximierung ihrer Amplifizierung sich in erster Linie nach dem troposphärischen Strahlstrom zu richten scheint. Von einem nicht-modalen Standpunkt aus gesehen, scheint es, dass klein-skalige Strukturen mit einer maximalen Amplitude im Bereich einer Gesamtwellenzahl von 10 eine wichtige Rolle im Zusammenspiel von Troposphäre und Stratosphäre spielen.