[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究利用1958–2010年共53年的每日大气再分析数据（NCEP/NCAR数据集），开发了一种自动化算法，用于在北半球识别并追踪中纬度大气波列。研究揭示了波列活动存在显著的季节周期，秋季和冬季达到峰值，夏季最低，其主要生成区位于西太平洋和中太平洋、大西洋西部，消散区则集中于东部大洋盆地，凸显了其在下游天气可预报性及大尺度能量输送中的作用。

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.

研究动机与目标

• 开发一种自动化、客观的中纬度大气波列识别与追踪方法。
• 分析53年期间北半球波列的气候学行为。
• 弥合低频稳态环流研究与风暴路径拉格朗日方法之间的差距。
• 量化波列特征，包括位置、持续时间、速度及谱特性。
• 探讨其对大气可预报性及业务气象学的影响。

提出的方法

• 将波列识别算法应用于NCEP/NCAR数据集提供的1958–2010年每12小时一次的大气再分析数据。
• 利用谱分解方法，基于相速度和群速度提取波列分量。
• 通过上对流层位势涡度和风场的时空滤波，识别波列。
• 采用类似拉格朗日的框架追踪波列随时间的演变、持续时间及传播路径。
• 根据谱特性（包括相速度和主导波数）对波列进行分类。
• 对波列生成与消散位置进行统计分析，并进行季节与区域分解。

实验结果

研究问题

• RQ1 北半球中纬度波列的发生与传播是否存在主导的季节性模式？
• RQ2 波列的主要生成区与消散区位于何处，其季节变化特征如何？
• RQ3 不同谱分量的波列特征（持续时间、速度、振幅）如何变化？
• RQ4 波列活动与大尺度大气能量输送及可预报性之间存在何种关系？
• RQ5 波列如何影响天气尺度系统在下游的发展？

主要发现

• 波列活动表现出强烈的季节周期，秋季至春季达到峰值，夏季最低。
• 波列活动峰值出现在秋季和冬季，冬季中期略有下降，表明其季节调制具有复杂性。
• 主要波列生成区位于西太平洋、中太平洋及大西洋西部，与斜压不稳定源区一致。
• 消散区主要分布在太平洋和大西洋东部边界，波列在此区域破裂消散。
• 波列以比单个天气系统更快的相速度向下游传播，实现远距离的能量快速传输。
• 谱分析揭示了具有不同波数和相速度的独立波列分量，共同构成大气变异性复杂性的来源。