[論文レビュー] Climatology of extratropical atmospheric wave packets in the northern hemisphere

Federico Grazzini, Valerio Lucarini|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2010

Climate variability and models参考文献 38被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、1958–2010年の53年間にわたる毎日の気象再解析データ（NCEP/NCARデータセット）を用いて、北半球における中緯度の大気波パケットの自動識別および追跡のためのアルゴリズムを開発した。波パケット活動には明著な季節的サイクルが認められ、秋から冬にかけてピークに達し、夏に最小値を示す。発生域は主に西・中央太平洋および大西洋にあり、東部海洋域で消散（リシス）が顕著で、これが下流の気象予測可能性および大規模なエネルギー輸送における役割を強調している。

ABSTRACT

Planetary and synoptic scale wave-packets represent one important component of the atmospheric large-scale circulation. These dissipative structures are able to rapidly transport eddy kinetic energy, generated locally (e.g. by baroclinic conversion), downstream along the upper tropospheric flow. The transported energy, moving faster than individual weather systems, will affect the development of the next meteorological system on the leading edge of the wave packet, creating a chain of connections between systems that can be far apart in time and space, with important implications on predictability. In this work we present an automated recognition of atmospheric wave packets which allows the extraction of all the relevant properties, such as location, duration and velocity. Behind this tool lies the need to investigate atmospheric variability in its full complexity, bridging the low-frequency steady-state approach with the storm-tracks lagrangian approach. We have applied the algorithm to the daily analysis (every 12h) from 1958-2010, building an extended climatology of waves packets with different spectral properties. We show that wave packets characteristics over Northern Hemisphere exhibit a strong seasonal dependence, both in their spectral component and in their distribution and localization. The maximum activity is reached in the cold months, from autumn to spring, with a slight weakening in mid-winter and a clear minimum of activity in summer. Preferential areas of genesis are shown to be the Western and Central-Pacific and Western-Atlantic while areas of lyses are the eastern borders of Pacific and Atlantic. We envisage possible applications of this algorithm also for predictability studies and operational activities.

研究の動機と目的

• 中緯度域における波パケットの識別および追跡のための自動的で客観的な手法の開発。
• 53年間にわたる北半球全域における波パケットの気候学的挙動の分析。
• 低周波数の定常渦の研究とストーム・トラックのラグランジュ的アプローチとの間のギャップを埋める。
• 位置、持続時間、速度、スペクトル的性質などの波パケット特性の定量的評価。
• 大気予測可能性および運用気象学における波パケットの意味の探求。

提案手法

• NCEP/NCARデータセットの12時間ごとの気象再解析データに、波パケット認識アルゴリズムを適用。
• 位相速度および群速度に基づいて波パケット成分を抽出するためのスペクトル分解の利用。
• 上層対流圏におけるポテンシャル・ヴォルテンシティおよび風場の空間的・時間的フィルタリングによる波パケットの特定。
• ラグランジュ的フレームワークを用いて時間経過に伴う変化、持続時間、伝播を追跡。
• 位相速度および主なウェーブ数を含むスペクトル的性質による波パケットの分類。
• 発生および消散位置の統計的分析を、季節的および地域的分解を併用して実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 北半球の中緯度域における中緯度波パケットの発生および伝播の主な季節的パターンは何か？
• RQ2 主な波パケット発生域および消散域はどこにあり、季節的にどのように変化するか？
• RQ3 波パケットの特性（持続時間、速度、振幅）は、異なるスペクトル成分でどのように変化するか？
• RQ4 波パケット活動と大規模大気エネルギー輸送および予測可能性の関係は何か？
• RQ5 波パケットは下流における synoptic スケールの気象システムの発展にどのように寄与するか？

主な発見

• 波パケット活動には明著な季節的サイクルが認められ、秋から冬にかけてピークに達し、夏に最小値を示す。
• 波パケット活動のピークは秋・冬にあり、真冬にはわずかに減少するが、季節的調制の複雑さを示している。
• 主な波パケット発生域は、西・中央太平洋および西大西洋に位置し、これは中緯度不安定の源と一致する。
• 消散域は、太平洋および大西洋の東部境界に顕著に見られ、波パケットの崩壊が観察される。
• 波パケットは、個々の気象システムよりも速い位相速度で下流に伝播し、長距離にわたるエネルギー伝達を可能にする。
• スペクトル解析により、異なるウェーブ数および位相速度を持つ明確な波パケット成分が特定され、大気変動の複雑さに寄与している。