Study on the Excitation of 5-Day Wave Using NCEP-NCAR Reanalysis Data

Abstract

정상 로스비파 중 5일 파동은 3차원 대기의 대표적인 외부 정상 모드 중 하나이다. 실제 대기에서 5일 파동은 강제항으로 인하여 이론적인 구조와는 다른 패턴으로 존재하며, 실제 관측된 파동의 분석함으로써 파동의 발생 메커니즘을 파악하는데 도움을 준다. 5일 파동의 발생에 대한 정확한 정보는 대규모 흐름상의 5일 파동의 영향을 훨씬 잘 예상할 수 있기에 장기간 관측 자료에서 나타난 5일 파동 구조와 에너지에 대한 정보는 유용하다. 본 연구에서는 NCEP-NCAR의 장기간 자료를 사용하여 시간에 따라 변화하는 동서바람과 남극대륙 사이의 상호작용으로 인해 5일파동이 발생한다는 메커니즘을 바탕으로 동서 바람의 세기에 따라 관측된 5일 파동의 구조와 에너지 변화에 대하여 분석하였다. 사용된 자료는 10층 기압면(1000, 850, 700, 500, 300, 200, 100, 50, 20, 10hPa)의 고도장, 온도장 그리고 수평, 연직 바람장이며, 사용된 기간은 1982년 1월 1일 00시 부터 2005년 12월 31일 12시까지, 12시간 간격, 총 24년 기간이다. 동서 바람의 강도의 변화를 나타내는 기간을 정의하기 위하여 사용되는 자료는 700-hPa에서의 60°S~70°S사이에서 평균된 동서 바람 (AZI)과 SAM (Southern Annular Mode) 지수를 사용하였다, 그 다음 동서바람의 차이가 뚜렷한 여름과 겨울 그리고 두 계절에 대한 지수의 변화에 따른 기간을 분류하였다. 동서 바람의 세기 변화의 기준은 각 지수의 평균과 표준편차의 차이로 정의되며 정의된 기간에 대하여 합성도 방법으로 5일 파동을 구한 후 수평 연직 구조를 분석하였다. 그리고 그에 따른 에너지 흐름은 동서 평균된 파동 에너지 방정식을 이용하여, 에너지 흐름과 변화를 분석하였다. 관측된 5일 파동은 여름이 겨울보다 진폭이 크며 수평으로 북서-남동 기울기와 약한 비대칭의 진폭을 제외하면 허프 모드 1모드와 거의 같다. ZI가 고지수인 경우 진폭이 크고 북서-남동 기울기와 연직으로 서쪽으로 향하는 기울어짐이 커지며, 저지수인경우에는 이와 반대로 나타난다. SAM지수가 양의 계수일 때 대류권에서는 두 계절에서 구한 5일파동과 큰 차이가 나지 않는다. 하지만 상대적으로 성층권에서는 큰 진폭을 나타낸다. 음의 계수인 경우에는 대류권에서는 크고 성층권에서는 작은, 반대되는 패턴이 나타났다. 겨울기간동안 지수에 의해 분류된 기간에서 관측된 5일 파동은 겨울 계절에 나타난 5일 파동의 전반적인 특징을 포함하지만 전체적으로 많은 노이즈를 포함하며 불규칙한 5일 파동의 구조를 보였다. 에너지 흐름은 파동의 공간 패턴에서 나타난 것과 유사한 흐름을 보였으며, 모든 분류된 기간에 관측된 5일 파동에 대하여, 남극 대륙위에서 500-hPa까지 항상 에너지의 증가를 보였다.

The 5-day wave and its energy variation were obtained from NCEP-NCAR reanalysis dataset for 24 years based on the mechanism that 5-day wave was excited by interaction between the time varying zonal winds and the topography of Antarctica which was suggested by Cheong and Kimura (1997). The two indices which were the horizontally averaged zonal winds on 60~70°S at 700-hPa and the SAM index at same level were used to classify the time varying zonal winds. The strength criterion of zonal wind variations was defined by difference between the mean and the standard deviation in each index and continuous period of its difference over 14 days in the NH summer and winter. And the 5-day wave was detected by composite method using the zonal wavenumber 1 component of the geopotential fields. The energy flow and variation with time were presented in zonal wavenumber 1 component of the geopotential, v wind, and vertical velocity fields using zonally averaged wave energy equation. The observed 5-day wave was analyzed for periods which were selected for change criterion with each index in the NH summer and winter. In the two seasons, the horizontal and vertical structures in high-phase periods with the AZI present a large amplitude and increased NW-SE and vertical phase tilt by a strong excitation of the 5-day wave as opposed to those in low-AZI periods. And the observed 5-day wave with AZI had the irregularly horizontal patterns at middle- and high-latitude for the NH winter by noise. The observed 5-day wave which was detected in defined periods with the SAM index could not explain the zonal wind variation with time because of the characteristic of index. In the positive-phase periods with the SAM index the amplitude of 5-day wave in the troposphere was similar to that for the season, but in the stratosphere had relatively large amplitude. The NW-SE phase tilt is slightly increased at the stratsopheric level but a same in the troposphere as those in the season. In negative-phase periods with the SAM index, the 5-day wave has the opposite conditions for positive-phase from the troposphere to stratosphere. In the NH winter, the basic features of 5-day wave with SAM index are included but presented many noise at middle- and high- latitude in each hemisphere. The variation of 5-day with the SAM index could be associated with the strength of the polar vortex and the frequency of the amplitude of zonal wavenumber 1 component at the stratosphere (Hirota and Sato, 1969). The flow and variation of 5-day wave energy were identified as wave energy equation. The energy flow of the 5-day wave propagated from the SH to NH, 30~40°N, for the NH summer and had symmetric structure or was strong at the NH for the NH winter. The increasing energy region was always located at the Antarctica under 500-hPa level in the both NH summer and winter. In the high-phase periods with the AZI for the NH summer, the wave flow and increasing enenergy at the SH are strong compared with the NH summer and in the low-AZI periods with the AZI. As the results in this study, the 5-day wave is more excited and propagates vertically and northward at the SH when zonal winds with time at high-latitude of the SH are strong. These represent the high amplitude, the horizontal and vertical phase-tilt structures of the 5-day for high-phase period with the AZI. And analysis for energy flow and change of 5-day wave show that the continuous existence of energy increase on the Antarctica is the energy source of the 5-day wave. In case of the strong wave and clear horizontal structures, the wave develops largely on the Antarctic continent and propagates from the SH to NH. On the contrary, in case that the energy of wave increases weakly and the flow becomes strong in the NH the structure of 5-day wave is poor. Namely the structures of 5-day wave depend on the energy produced in the Antarctica and are subject to the forcing mechanism by Cheong and Kimura (1997). The analysis of the flow and change of the 5-day wave with zonal wind is useful to provide the information on the influences of the 5-day wave on the large-scale flow.