[논문 리뷰] Climatology of extratropical atmospheric wave packets in the northern hemisphere

Federico Grazzini, Valerio Lucarini|arXiv (Cornell University)|2010. 11. 16.

Climate variability and models참고 문헌 38인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 1958~2010년 동안의 매일 대기 재분석 데이터(53년 분량)를 사용하여 북반구에서의 비정상 대기 파동 패킷을 자동으로 식별하고 추적하는 알고리즘을 개발한다. 파동 패킷 활동은 봄가을에 가장 높고 여름에 최소로 나타나는 강한 계절 주기성을 보이며, 주로 서태평양과 대서양, 그리고 동태평양과 대서양에서의 파동 패킷 생성 및 분해가 일어나며, 이는 하류 기상 예측 가능성과 대규모 에너지 이동에 기여함을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비정상 대기 파동 패킷을 자동으로, 객관적으로 식별하고 추적하는 방법을 개발하기 위해.
• 53년 간의 기간 동안 북반구 전역에서 파동 패턴의 기후학적 행동을 분석하기 위해.
• 저주기적 정적인 순환 연구와 폭풍 경로 라그랑주 방법 사이의 격차를 메우기 위해.
• 위치, 지속 기간, 속도, 스펙트럼적 성질 등을 포함한 파동 패킷 특성의 정량적 분석을 위해.
• 대기 예측 가능성과 운영 기상학에 대한 함의를 탐색하기 위해.

제안 방법

• NCEP/NCAR 데이터셋에서 제공한 12시간 간격의 대기 재분석 데이터(1958–2010)에 파동 패킷 식별 알고리즘을 적용하기 위해.
• 파동 패턴 성분을 위상 속도와 군속도 기반으로 추출하기 위해 스펙트럼 분해를 사용하기 위해.
• 상층 대기의 위치 편포성 및 바람 장을 대상으로 시공간 필터링을 통해 파동 패킷을 식별하기 위해.
• 시간에 따른 변화, 지속 기간, 전파를 모니터링하기 위해 라그랑주 유사 프레임워크를 활용해 파동 패킷을 추적하기 위해.
• 위상 속도와 주요 파수를 포함한 스펙트럼적 성질에 따라 파동 패킷을 분류하기 위해.
• 생성 및 분해 위치의 통계적 분석을 통해 계절적 및 지역적 분해를 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 북반구에서 비정상 대기 파동 패킷의 발생 및 전파에 대한 주요 계절적 패턴은 무엇인가?
• RQ2 주요 파동 패킷 생성 및 분해 지역은 어디이며, 이는 계절에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 다양한 스펙트럼 성분에 따라 파동 패킷 특성(지속 기간, 속도, 진폭)은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 파동 패킷 활동과 대규모 대기 에너지 이동 및 예측 가능성 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ5 파동 패턴은 어떻게 하류 기상 체계의 발달에 영향을 미치는가?

주요 결과

• 파동 패킷 활동은 강한 계절 주기를 보이며, 가을에서 봄에 걸쳐 최고조에 이르고 여름에 최소로 나타난다.
• 파동 패킷 활동의 최고점은 가을과 겨울에 나타나며, 중간 겨울에 약간 감소함을 보여, 복잡한 계절 조절이 존재함을 시사한다.
• 주요 파동 패킷 생성 지역은 서태평양과 중태평양, 서대서양에 위치해 있으며, 이는 기후 기상 불안정성의 원천과 일치한다.
• 분해 지역은 주로 태평양과 대서양의 동부 해안에 위치해 있으며, 여기서 파동 패턴이 붕괴된다.
• 파동 패턴은 개별 기상 시스템보다 빠른 위상 속도로 하류로 전파되어 장거리 에너지 이동을 가능하게 한다.
• 스펙트럼 분석을 통해 다양한 파수와 위상 속도를 가진 별도의 파동 패턴 성분이 확인되었으며, 이는 대기 변동의 복잡성에 기여한다.