Original paper
The 10-12-year atmospheric oscillation
[Die 10-12 jährige Schwingung der Atmosphäre]
van Loon, H.; Labitzke, K.
Meteorologische Zeitschrift Vol. 3 No. 5 (1994), p. 259 - 266
16 references
published: Oct 28, 1994
published online: Aug 2, 2018
Open Access (paper may be downloaded free of charge)
Abstract
This paper summarizes the results of work which is based on the discovery by Labitzke (1982, 1987) of a 10-12-year oscillation in the arctic stratospheric temperature. The oscillation modulates the extratropical effect of the Quasi-Biennial Oscillation in winter and is in phase with the 11-year sunspot cycle. Labitzke's original papers dealt only with the north polar stratospheric temperature in winter, but we have expanded the investigation to cover the whole year and most of the Northern Hemisphere. In months other than January, February and March, it is not necessary to group the data according to the phase of the QBO to find the solar signal. The signal appears as a basic, consistent pattern in the correlations between stratospheric geopotential heights and the solar cycle in which the highest correlations are south of about 45° N with a distinct maximum over the western, ocean-covered part of the hemisphere. The variation of the stratospheric heights on the 10-12-year scale are - in the area of high correlations with the solar cycle - associated with temperature changes on the same time scale in the middle and upper troposphere. Preliminary work suggests that the interannual variation of the tropical and subtropical vertical motions contains a component on the 10-12-year scale; but a mechanism which connects the solar and tropospheric-stratospheric oscillations on the 10-12-year scale has not yet been found. In January and February the correlations of a full time series of stratospheric quantities with the sun are smallest, although the basic pattern is the same as during the rest of the year. The small size of the correlations is due to the fact that they are of opposite sign in the east and west years of the Quasi-Biennial Oscillation. The correlation pattern in the east years is the same as in the ten other months of the year; in the west years the opposite sign is related to the fact that those major midwinter breakdowns of the stratospheric westerly (cyclonic) vortex which take place in the west years, have so far happened only in maxima of the 11-year sunspot cycle.
Kurzfassung
In diesem Übersichtsartikel wollen wir die Ergebnisse verschiedener Arbeiten zusammenfassen, die auf Labitzkes (1982, 1987) Entdeckung einer 10-12jährigen Schwingung in den Temperaturen der arktischen Stratosphäre im Winter beruhen. Diese Schwingung moduliert den Einfluß der tropischen "Quasi-Biennial Oscillation" (QBO) auf die mittleren und hohen Breiten im Winter und ist mit dem 11jährigen Sonnenfleckenzyklus in Phase. In Labitzkes ersten Arbeiten wurde nur die winterliche, polare Stratosphäre behandelt. Inzwischen haben wir die Untersuchungen aber auf die ganze Nordhalbkugel und auf das ganze Jahr ausgedehnt. Die Grundstruktur (das Grundmuster) der Korrelationen zwischen dem Sonnenfleckenzyklus und den Höhen der Druckflächen in der Stratosphäre ist immer dergestalt, daß die höchsten Korrelationen südlich von etwa 45° N angetroffen werden, und zwar mit einem deutlichen Maximum über dem westlichen, ozeanischen Teil der Halbkugel, d. h. vom Pazifik über USA hinweg bis Afrika. Dort, wo die Korrelationen hoch sind, hängen die Variationen der Höhen der Druckflächen in der Stratosphäre im Zeitbereich von 10-12 Jahren mit deutlichen Temperaturänderungen in der mittleren und oberen Troposphäre im gleichen Zeitbereich zusammen. Erste, einleitende Untersuchungen deuten an, daß die Schwankungen der Vertikalbewegungen in den Tropen und Subtropen von Jahr zu Jahr auch eine Komponente in dem Zeitbereich von 10-12 Jahren haben. Aber ein Mechanismus, der die solare Schwingung mit der troposphärischen-stratosphärischen Schwingung verknüpft, muß erst noch gefunden werden. Im Januar und Februar sind die Korrelationen der kompletten Datenreihen mit der Sonne am kleinsten, obwohl die Struktur die gleiche ist wie im Rest des Jahres. Das kommt daher, daß die Korrelationen in der Ost- bzw. Westwindphase der QBO besonders über der Arktis das entgegengesetzte Vorzeichen haben. Die Struktur der Korrelationen ist in der Ostwindphase der QBO genau die gleiche wie in den zehn anderen Monaten des Jahres, d. h. negativ über der Arktis und positiv in den Subtropen. In der Westwindphase ergibt sich das entgegengesetzte Vorzeichen, d. h. positive Korrelationen über der Arktis, dadurch, daß die Zusammenbrüche des Polarwirbels in der Mitte des Winters (Major Midwinter Warmings) in dieser Gruppe bisher nur in den Maxima des 11jährigen Sonnenfleckenzyklus aufgetreten sind.
Keywords
arctic stratosphere • sunspot cycle • Northern Hemisphere • subtropical • Quasi-Biennial Oscillation • QBO • arktische Stratosphäre • Sonnenfleckenzyklus • Nordhalbkugel • subtropisch