42년(1958-1999)의 NCEP 6시간 재분석 자료 분석을 통하여 성층권 주 돌연 승온(MSW: Major sudden warming)을 정의하고, 이를 바탕으로 MSW를 찾아내어, 비교적 짧은 기간에 분석된 여러 기존의 연구들과 비교하였다. 본 연구에서 찾은 MSW는 대부분의 기존 연구에서 보고된 MSW와 거의 일치하였다. MSW의 발생 빈도는 70, 80년대에 들어서, 특히 2월 달에 2년에 한번 정도씩 발생하는 주기성을 보였으나, 90년에 들어서는 발생 빈도가 다소 줄어드는 경향이 나타났다. 월평균 자료를 이용하여 MSW를 찾는 통계적인 실험을 수행하고 온도, 온도 경도, 동서류의 41년 평균값과 그것으로부터의 ...
42년(1958-1999)의 NCEP 6시간 재분석 자료 분석을 통하여 성층권 주 돌연 승온(MSW: Major sudden warming)을 정의하고, 이를 바탕으로 MSW를 찾아내어, 비교적 짧은 기간에 분석된 여러 기존의 연구들과 비교하였다. 본 연구에서 찾은 MSW는 대부분의 기존 연구에서 보고된 MSW와 거의 일치하였다. MSW의 발생 빈도는 70, 80년대에 들어서, 특히 2월 달에 2년에 한번 정도씩 발생하는 주기성을 보였으나, 90년에 들어서는 발생 빈도가 다소 줄어드는 경향이 나타났다. 월평균 자료를 이용하여 MSW를 찾는 통계적인 실험을 수행하고 온도, 온도 경도, 동서류의 41년 평균값과 그것으로부터의 편차를 이용, 오차를 최소화하고 가장 좋은 적중률을 나타낼 수 있는 최적의 기준을 월별, 변수별로 각각 제안하였다. 온도 및 온도 경도의 경우 12월에는 높은 적중률을 보였으나, 연변동이 심해 지는 1월과 2월로 갈수록 적중률도 낮아지고 오차의 크기 또한 다소 커짐을 보였다. 동서류의 경우, 다른 두 변수에 비해 적중률은 그리 높지 않은 반면 오차의 크기는 상대적으로 작아 신뢰수준이 높았다. 이는 충분한 기간에 걸친 기후학적 자료가 있을 때 적절한 MSW 판단 기준으로 이용될 수 있을 것으로 보여진다. 승온 전 후의 동서파수 1, 2의 행성파의 진폭 발달 양상에 따라 MSW를 Type I과 II의 두 그룹으로 나누었다. 총 23개의 MSW중 14개가 Type I으로, 9개가 Type II로 분류되었다. 또한 전체 23회의 MSW 사례 중 17회의 승온은 QBO 동풍, 6회는 QBO 서풍에서 발생하여 QBO 동풍이 MSW 발생의 좋은 조건임을 보였다. QBO 동풍은 주로 12월∼1월 사이에 발생한 Type I에서, QBO 서풍은 주로 2월에 발생한 Type II에서 나타났다. 개개의 사례 분석 결과, 승온이 각각 동서파수 1, 2 의 행성파의 구조에 의해 결정되는 경우와 이들 모두에 의해 영향 받는 혼합형구조로 나타났다. 승온 시의 Type I 과 Type II에서 보여지는 행성파의 발달 특성을 비교하기 위해서 composite analysis를 수행하였다. Type I은 승온 전부터 대류권 에서부터 위로 전파한 강한 동서파수 1의 파동 발달과 상대적으로 약하게 발달한 동서파수 2의 파동으로, Type II는 승온 전에 성층권에만 국한된 동서파수 1의 파동과 승온 전과 후 대류권과 성층권 모두에 걸친 깊은 연직 층에서 동서파수 2파동의 강한 확장으로 특징 지워진다. MSW가 시작되기 전과 후, 두 그룹간에 발달하는 행성파의 구조가 서로 다르나, 공통적으로 승온이 발생하기 전 극 지역의 구풍 와도의 흐름이 강해지고, 그 위치는 극을 벗어나 조금 떨어져 위치하게 된다. 승온 후 행성파의 형태는 승온 전의 모습으로 완전히 회복하지 못하여, 어느 정도 그 영향이 남아 그 다음 봄철 순환에 영향을 미치게 되는 것으로 보인다. MSW 발생에 미치는 행성파의 영향은 E-P(Eliassen-Palm) flux 벡터와 그 발산 값, 즉 파동 강제력으로 알아보았다. Type I의 경우에는 승온 전 후에 주로 동서파수 1의 행성파에 의해 설명되며, Type II의 경우에는 승온 35일∼40일 전에 미리 발달하는 동서파수 1의 행성파와, 승온 5일 전 후에 발달하는 동서파수 2의 행성파의 강화로 대부분 설명된다. 이 기간에 E-P flux 벡터는 극 성층권을 향해 나아가고, 이는 곧 파동 강제력이 큰 지역과 맞물려 돌연 승온의 강제력으로 작용하고 있음을 보여준다. 주 돌연 승온의 기간 동안 대류권과 성층권의 연계는 지위고도 편차의 연직 구조로써 정성적으로 확인할 수 있었다. 보다 정량적인 의미의 대류권-성층권의 연계를 파악하기 위하여 500 hPa의 지위 고도의 경험적 직교 함수(EOF: Empirical Orthogonal Function)를 구하였고, 10 hPa에서의 동서파수 1, 2의 행성파와 500 hPa 의 지위고도의 첫 번째, 두 번째 EOF 시계열간의 지연상관(lag correlation)을 계산하였다. 계산된 상관계수는 여러 다양한 시간차에서 큰 양과 음의 상관을 나타내었으나, 그 물리적 의미를 본 연구에서는 모두 설명할 수 없었다. 이 부분에 대한 연구는 앞으로 지속적으로 이루어 질 것이다.
42년(1958-1999)의 NCEP 6시간 재분석 자료 분석을 통하여 성층권 주 돌연 승온(MSW: Major sudden warming)을 정의하고, 이를 바탕으로 MSW를 찾아내어, 비교적 짧은 기간에 분석된 여러 기존의 연구들과 비교하였다. 본 연구에서 찾은 MSW는 대부분의 기존 연구에서 보고된 MSW와 거의 일치하였다. MSW의 발생 빈도는 70, 80년대에 들어서, 특히 2월 달에 2년에 한번 정도씩 발생하는 주기성을 보였으나, 90년에 들어서는 발생 빈도가 다소 줄어드는 경향이 나타났다. 월평균 자료를 이용하여 MSW를 찾는 통계적인 실험을 수행하고 온도, 온도 경도, 동서류의 41년 평균값과 그것으로부터의 편차를 이용, 오차를 최소화하고 가장 좋은 적중률을 나타낼 수 있는 최적의 기준을 월별, 변수별로 각각 제안하였다. 온도 및 온도 경도의 경우 12월에는 높은 적중률을 보였으나, 연변동이 심해 지는 1월과 2월로 갈수록 적중률도 낮아지고 오차의 크기 또한 다소 커짐을 보였다. 동서류의 경우, 다른 두 변수에 비해 적중률은 그리 높지 않은 반면 오차의 크기는 상대적으로 작아 신뢰수준이 높았다. 이는 충분한 기간에 걸친 기후학적 자료가 있을 때 적절한 MSW 판단 기준으로 이용될 수 있을 것으로 보여진다. 승온 전 후의 동서파수 1, 2의 행성파의 진폭 발달 양상에 따라 MSW를 Type I과 II의 두 그룹으로 나누었다. 총 23개의 MSW중 14개가 Type I으로, 9개가 Type II로 분류되었다. 또한 전체 23회의 MSW 사례 중 17회의 승온은 QBO 동풍, 6회는 QBO 서풍에서 발생하여 QBO 동풍이 MSW 발생의 좋은 조건임을 보였다. QBO 동풍은 주로 12월∼1월 사이에 발생한 Type I에서, QBO 서풍은 주로 2월에 발생한 Type II에서 나타났다. 개개의 사례 분석 결과, 승온이 각각 동서파수 1, 2 의 행성파의 구조에 의해 결정되는 경우와 이들 모두에 의해 영향 받는 혼합형구조로 나타났다. 승온 시의 Type I 과 Type II에서 보여지는 행성파의 발달 특성을 비교하기 위해서 composite analysis를 수행하였다. Type I은 승온 전부터 대류권 에서부터 위로 전파한 강한 동서파수 1의 파동 발달과 상대적으로 약하게 발달한 동서파수 2의 파동으로, Type II는 승온 전에 성층권에만 국한된 동서파수 1의 파동과 승온 전과 후 대류권과 성층권 모두에 걸친 깊은 연직 층에서 동서파수 2파동의 강한 확장으로 특징 지워진다. MSW가 시작되기 전과 후, 두 그룹간에 발달하는 행성파의 구조가 서로 다르나, 공통적으로 승온이 발생하기 전 극 지역의 구풍 와도의 흐름이 강해지고, 그 위치는 극을 벗어나 조금 떨어져 위치하게 된다. 승온 후 행성파의 형태는 승온 전의 모습으로 완전히 회복하지 못하여, 어느 정도 그 영향이 남아 그 다음 봄철 순환에 영향을 미치게 되는 것으로 보인다. MSW 발생에 미치는 행성파의 영향은 E-P(Eliassen-Palm) flux 벡터와 그 발산 값, 즉 파동 강제력으로 알아보았다. Type I의 경우에는 승온 전 후에 주로 동서파수 1의 행성파에 의해 설명되며, Type II의 경우에는 승온 35일∼40일 전에 미리 발달하는 동서파수 1의 행성파와, 승온 5일 전 후에 발달하는 동서파수 2의 행성파의 강화로 대부분 설명된다. 이 기간에 E-P flux 벡터는 극 성층권을 향해 나아가고, 이는 곧 파동 강제력이 큰 지역과 맞물려 돌연 승온의 강제력으로 작용하고 있음을 보여준다. 주 돌연 승온의 기간 동안 대류권과 성층권의 연계는 지위고도 편차의 연직 구조로써 정성적으로 확인할 수 있었다. 보다 정량적인 의미의 대류권-성층권의 연계를 파악하기 위하여 500 hPa의 지위 고도의 경험적 직교 함수(EOF: Empirical Orthogonal Function)를 구하였고, 10 hPa에서의 동서파수 1, 2의 행성파와 500 hPa 의 지위고도의 첫 번째, 두 번째 EOF 시계열간의 지연상관(lag correlation)을 계산하였다. 계산된 상관계수는 여러 다양한 시간차에서 큰 양과 음의 상관을 나타내었으나, 그 물리적 의미를 본 연구에서는 모두 설명할 수 없었다. 이 부분에 대한 연구는 앞으로 지속적으로 이루어 질 것이다.
This study investigates characteristics of the stratospheric major sudden warmings(hereafter MSWs) using NCEP reanalysis data for 42 years(1958-1999). The MSW is defined when the latitudinal gradient of zonal mean temperature between 85oN and 60oN at 10 hPa is positive more than 5 days and the zonal...
This study investigates characteristics of the stratospheric major sudden warmings(hereafter MSWs) using NCEP reanalysis data for 42 years(1958-1999). The MSW is defined when the latitudinal gradient of zonal mean temperature between 85oN and 60oN at 10 hPa is positive more than 5 days and the zonal-mean zonal wind at 65oN, 10 hPa is negative during positive temperature gradient. It was found that the MSWs defined by zonal-mean temperature and zonal wind using NCEP data are reasonably acceptable compared with previous studies using radiosonde data except for few cases. This difference is due to the different definitions and periods of data used for each MSW study. There is a variability of MSW frequency during 42 years, which tends to increase from 1970s to 1980s, and decrease from 1980s to 1990s. In February, most of the MSWs occur once every other winter, but this pattern changes in 1990s to be non-periodically. To find out MSWs using monthly-mean data more easily, reliable criterions are suggested. In case of temperature and temperature gradient, values higher than 0.5 times of their standard deviations are most reliable for the temperature in December and February and temperature gradient in December and January, and those higher than square root for temperature in January and temperature gradient in February. Comparing in decades, the error is much less in December than in January and February. Contrary, in case of the zonal-mean zonal wind, values lower than 0.5 times of their standard deviation in February are most reliable while values lower than their standard deviation are most reliable in December and January. These statistic criterion can be used to detect MSWs using monthly-mean data when there is long-period data. MSWs are categorized to Type I and Type II based on the amplitude of planetary waves with zonal wavenumber 1(wave-1) and 2(wave-2) before and after MSWs. Among the total 23 MSWs, 14 of them are grouped into Type I and remained 9 are grouped into Type II. The 16 cases occurred in the QBO easterly phase, and 7 cases of them in the QBO westerly phase. The warmings in the QBO easterly phase occurred in between December and January, and most of them correspond to Type I. On the other hand, the warmings in the westerly phase occurred in the late February, and mostly they correspond to Type II. In the case studies, warmings are mainly determined by wave-1, wave-2 and combined structures, and remained part that cannot be explained by those of lower wavenumber waves are explained by the effect of waves with much larger zonal wavenumbers. The Type I is characterized by strong wave-1 propagated from the troposphere before warming and relatively weak wave-2. The Type II is characterized by strong wave-1 exclusively in the stratosphere prior to warming and strong wave-2 in the both troposphere and stratosphere before and after warming. The behavior and structure between these two types are different, except for a common feature of which a single cyclonic vortex distorted and centered slightly off the pole becomes stronger before MSW is taking place. Effects of the planetary waves on MSW are calculated by E-P(Eliassen-Palm) flux vectors and their divergence. Prior to the onset of warming, the E-P flux vectors are diverted from equatorward propagation to the poleward propagation. In case of Type I, warming is mainly explained by the E-P flux forcing by the wave-1. Contrary, In Type II, wave-1 forcing occurs about Lag=-35∼-40 days before onset of warming(Lag=0) and was followed by intensification of wave-2 prior to Lag=0. Wave-2 forcing becomes larger and reaches a peak about Lag=± 5 days, respectively. Most of poleward focusing waves are generally accompanied by large negative values of E-P flux divergence, which act as the eddy forcing and result in accelerating the easterly wind in upper levels. The linkage between the troposphere and the stratosphere during major warming events is investigated by EOF(Empirical Orthogonal Function) of the geopotential height deviations from 41-yr mean at 500 hPa. Correlations between the planetary waves with zonal wavenumbers 1 and 2 at 10 hPa and the first two EOF modes at 500 hPa are shown to be complicated with various lags that cannot be fully explained in this study. Detailed analysis of MSWs and relationship with tropospheric entire circulation is remained to be done in the future.
This study investigates characteristics of the stratospheric major sudden warmings(hereafter MSWs) using NCEP reanalysis data for 42 years(1958-1999). The MSW is defined when the latitudinal gradient of zonal mean temperature between 85oN and 60oN at 10 hPa is positive more than 5 days and the zonal-mean zonal wind at 65oN, 10 hPa is negative during positive temperature gradient. It was found that the MSWs defined by zonal-mean temperature and zonal wind using NCEP data are reasonably acceptable compared with previous studies using radiosonde data except for few cases. This difference is due to the different definitions and periods of data used for each MSW study. There is a variability of MSW frequency during 42 years, which tends to increase from 1970s to 1980s, and decrease from 1980s to 1990s. In February, most of the MSWs occur once every other winter, but this pattern changes in 1990s to be non-periodically. To find out MSWs using monthly-mean data more easily, reliable criterions are suggested. In case of temperature and temperature gradient, values higher than 0.5 times of their standard deviations are most reliable for the temperature in December and February and temperature gradient in December and January, and those higher than square root for temperature in January and temperature gradient in February. Comparing in decades, the error is much less in December than in January and February. Contrary, in case of the zonal-mean zonal wind, values lower than 0.5 times of their standard deviation in February are most reliable while values lower than their standard deviation are most reliable in December and January. These statistic criterion can be used to detect MSWs using monthly-mean data when there is long-period data. MSWs are categorized to Type I and Type II based on the amplitude of planetary waves with zonal wavenumber 1(wave-1) and 2(wave-2) before and after MSWs. Among the total 23 MSWs, 14 of them are grouped into Type I and remained 9 are grouped into Type II. The 16 cases occurred in the QBO easterly phase, and 7 cases of them in the QBO westerly phase. The warmings in the QBO easterly phase occurred in between December and January, and most of them correspond to Type I. On the other hand, the warmings in the westerly phase occurred in the late February, and mostly they correspond to Type II. In the case studies, warmings are mainly determined by wave-1, wave-2 and combined structures, and remained part that cannot be explained by those of lower wavenumber waves are explained by the effect of waves with much larger zonal wavenumbers. The Type I is characterized by strong wave-1 propagated from the troposphere before warming and relatively weak wave-2. The Type II is characterized by strong wave-1 exclusively in the stratosphere prior to warming and strong wave-2 in the both troposphere and stratosphere before and after warming. The behavior and structure between these two types are different, except for a common feature of which a single cyclonic vortex distorted and centered slightly off the pole becomes stronger before MSW is taking place. Effects of the planetary waves on MSW are calculated by E-P(Eliassen-Palm) flux vectors and their divergence. Prior to the onset of warming, the E-P flux vectors are diverted from equatorward propagation to the poleward propagation. In case of Type I, warming is mainly explained by the E-P flux forcing by the wave-1. Contrary, In Type II, wave-1 forcing occurs about Lag=-35∼-40 days before onset of warming(Lag=0) and was followed by intensification of wave-2 prior to Lag=0. Wave-2 forcing becomes larger and reaches a peak about Lag=± 5 days, respectively. Most of poleward focusing waves are generally accompanied by large negative values of E-P flux divergence, which act as the eddy forcing and result in accelerating the easterly wind in upper levels. The linkage between the troposphere and the stratosphere during major warming events is investigated by EOF(Empirical Orthogonal Function) of the geopotential height deviations from 41-yr mean at 500 hPa. Correlations between the planetary waves with zonal wavenumbers 1 and 2 at 10 hPa and the first two EOF modes at 500 hPa are shown to be complicated with various lags that cannot be fully explained in this study. Detailed analysis of MSWs and relationship with tropospheric entire circulation is remained to be done in the future.
주제어
#행성파 QBO 동풍 QBO 서풍 E-P flux 경험적 직교 함수 지연상관 NCEP MSW planetary wave composite analysis Type I Type II QBO easterly phase QBO westerly phase EOF (Empirical Orthogonal Function) Lag correlation method
학위논문 정보
저자
유주미
학위수여기관
연세대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
대기과학과
지도교수
전혜영
발행연도
2003
총페이지
xiv, 103p.
키워드
행성파 QBO 동풍 QBO 서풍 E-P flux 경험적 직교 함수 지연상관 NCEP MSW planetary wave composite analysis Type I Type II QBO easterly phase QBO westerly phase EOF (Empirical Orthogonal Function) Lag correlation method
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