The breakdown of vertically propagating planetary waves in the stratosphere is investigated using an ultra-high horizontal resolution Contour Dynamics with Surgery model. In the model, planetary waves are forced at the tropopause and propagate upwards through the stratosphere and into an absorbing sponge (the first of its kind for such a model). In the context of wave breaking, two aspects of the system are questioned, namely, (1) what is the sensitivity to upper-boundary conditions? and (2) given perfect upper-boundary conditions what controls wave breaking? (1) In a Boussinesq environment. wave breaking is compared using: (a) a rigid upper-boundary condition (as in previous work) and (b) an absorbing sponge (preventing spurious reflections). In (a) both local (to the forcing) and remote breaking is evidenced for weak forcing while only local breaking is observed for sufficiently strong forcing. In (b) remote breaking is absent and local breaking, which occurs for sufficiently strong forcing, has quite a different character to that seen in (a). Compressibility effects are also investigated. (2) A quasi-linear theory is developed which predicts wave breaking if the zonal mean flow decelerates by more than one-half of its initial value (via positive group-velocity/zonal-mean-flow feedbacks). This so-called “one-half” rule for planetary wave breaking is confirmed through fully-nonlinear simulations. Numerical simulations detail the precise sequence of events leading up to and after wave breaking. / Graduate

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Die Ausbreitungspfade und die strukturelle Veränderung von quasi geostrophischen Rossby-Wellenpaketen werden mittels der WKB-Methode untersucht. Es wird angenommen, daß die Wellenpakete an einem in Ost-West-Richtung verlaufenden festen Rand reflektiert werden können. Die Dynamik der Rossby-Wellenpakete wird auf der ß-Ebene aber auch auf der sogenannten d-Oberfiäche - wo auch die zweite Ableitung des Coriolis-Parameters eine Rolle spielt - studiert. Es wird gezeigt, daß die Wellenpakete unter bestimmten Umständen große Entfernungen in zonaler Richtung entlang der Küste zurücklegen können und damit die Strömung weit stromab beeinflussen. Die Wellenpakete sind dabei zwischen dem reflektierenden Rand und einer Umkehrbreite gefangen im Unterschied zu freien Rossbywellen in der Atmosphäre, die zwischen zwei Umkehrbreiten gefangen werden können. Es zeigt sich, daß der d-Term keine besonders wichtige Rolle für die Ausbreitung der Rossby-Wellenpakete spielt, am wichtigsten ist er noch bei der Dynamik von Wellen mit negativer Phasengeschwindigkeit. Es wird vorgeschlagen, daß ein selektiver Rossby-Wellenleiter wie er hier diskutiert wird eine Rolle in der Dynamik des Antarktik-Zirkumpolarstromes spielt. / We study the propagation and the structural change of quasi geostrophic Rossby wave packets by means of a WKB-method. Our approach involves the introduction of a rigid boundary, where the wave packets can be refiected elastically. We study Rossby wave packet dynamics at high latitudes on a modified ß-plane, where the second derivative of the Coriolis parameter with respect to latitude is taken into account (d-term). We show that under certain conditions synoptic-scale wave packets can propagate far distances along an east-west oriented \"coast\" and may affect the fiow far downstream of the source region. In contrast to free propagating Rossby wave packets ( e.g. in the atmosphere), which can be trapped between two turning latitudes, the wave packets considered here are trapped between a turning latitude and the reflecting boundary. lt turns out that the 6-term is most important for wave packets with negative phase speeds. Finally, we suggest that such a selective Rossby waveguide may play a role in the dynamics of the Antarctic Circumpolar Current.

Die Ausbreitungspfade und die strukturelle Veränderung von quasi geostrophischen Rossby-Wellenpaketen werden mittels der WKB-Methode untersucht. Es wird angenommen, daß die Wellenpakete an einem in Ost-West-Richtung verlaufenden festen Rand reflektiert werden können. Die Dynamik der Rossby-Wellenpakete wird auf der ß-Ebene aber auch auf der sogenannten d-Oberfiäche - wo auch die zweite Ableitung des Coriolis-Parameters eine Rolle spielt - studiert. Es wird gezeigt, daß die Wellenpakete unter bestimmten Umständen große Entfernungen in zonaler Richtung entlang der Küste zurücklegen können und damit die Strömung weit stromab beeinflussen. Die Wellenpakete sind dabei zwischen dem reflektierenden Rand und einer Umkehrbreite gefangen im Unterschied zu freien Rossbywellen in der Atmosphäre, die zwischen zwei Umkehrbreiten gefangen werden können. Es zeigt sich, daß der d-Term keine besonders wichtige Rolle für die Ausbreitung der Rossby-Wellenpakete spielt, am wichtigsten ist er noch bei der Dynamik von Wellen mit negativer Phasengeschwindigkeit. Es wird vorgeschlagen, daß ein selektiver Rossby-Wellenleiter wie er hier diskutiert wird eine Rolle in der Dynamik des Antarktik-Zirkumpolarstromes spielt. / We study the propagation and the structural change of quasi geostrophic Rossby wave packets by means of a WKB-method. Our approach involves the introduction of a rigid boundary, where the wave packets can be refiected elastically. We study Rossby wave packet dynamics at high latitudes on a modified ß-plane, where the second derivative of the Coriolis parameter with respect to latitude is taken into account (d-term). We show that under certain conditions synoptic-scale wave packets can propagate far distances along an east-west oriented \'coast\' and may affect the fiow far downstream of the source region. In contrast to free propagating Rossby wave packets ( e.g. in the atmosphere), which can be trapped between two turning latitudes, the wave packets considered here are trapped between a turning latitude and the reflecting boundary. lt turns out that the 6-term is most important for wave packets with negative phase speeds. Finally, we suggest that such a selective Rossby waveguide may play a role in the dynamics of the Antarctic Circumpolar Current.

Bekanntlich sind atmosphärische Rossbywellezüge (RWTs) Lösungen der Singular Vector Analyse eines gedämpften, barotropen Modells mit Nordwinter Grundströmen. In den SV Basen der verwendeten 40 DJF Grundströme konnten nur wenige wachsende den Rossbywellenzügen ähnliche (RWT Moden) Singulären Vektoren (SVen) gefunden werden. Die RWT Moden kommen nur in wenigen Gebieten der Erde vor. Die instabilste Mode entwickelt sich in der Region des Nordpazifiks (NPACs) innerhalb von 4 Tagen in jedem der verwendeten beobachteten DJF Grundströme. Alle anderen RWT Moden kommen nur bei Verwendung einiger der Grundströme vor. Ihre Entwicklungspfade sind eindeutig für Entwicklungszeiten bis zu 96 h und streuen für längere Zeiten. Die NPAC Mode erklärt zum Optimierungszeitpunkt 96 h bis zu 60 % der atmosphärischen kinetischen Energie (KE) auf der 300 hPa Fläche in der NPAC Region. Es konnte auch gezeigt werden, daß die Zeitreihe des beobachteten Wachstums der NPAC Mode mit dem berechneten Wachstum (den Eigenwerten) konsistent ist. Interessanterweise zeigt die NPAC-KE zum Optimierungszeitpunkt 96 h auch eine schwach signifikante Korrelation mit dem PNA-Index, die für die Optimierungszeit 144 h nicht mehr existiert. Die Ergebnisse legen die Vermutung nahe, daß die verwendeten Grundströme die Entwicklung der RWT Moden bis zu einer Entwicklungszeit von 4 Tagen dominieren und daß die finite Instabilität maßgeblich zur Entwicklung der beobachteten NPAC Rossbywellenzüge in der Atmosphäre beiträgt. Die Ergebnisse geben Hinweise darauf, daß die NPAC mode auch einen Beitrag zur Entwicklung der PNA leistet.

Data from satellites and reanalysis products are analyzed to study the behavior of wave trains in the three major Southern Hemisphere Convergences zones: the South Pacific, the South Atlantic, and the South Indian. Using composites on high rain-rate days, a wave pattern is identified that is characteristic of high rain events. This wave pattern is then compared to the patterns of variability of brightness temperature using empirical orthogonal functions. A linear regression technique is used to examine the behavior of potential vorticity corresponding to the patterns of maximum variance. Planetary-scale waves, propagating in favorable regions, slow and break, dragging streamers of moisture from the tropics into higher latitudes. These streamers, combined with lifting, lead to the enhanced rain seen in the Southern Hemisphere’s convergence zones. It is concluded that the convergence zones are areas of enhanced streamer activity and that a more thorough study of streamers will yield more information on the structure and behavior of the convergence zones.

This study concerns on trapped Rossby waves and local Rossby wave packets in zonal basic flows with two or more prominent extreme values (so called multiple-jet flows). For simplicity, most of the calculations are performed on the f-plane, but an extension to the ß-plane is also discussed. Under the assumption that the basic fiow is a solution to a special type of second order ordinary differential equation, we show that then the amplitudes of stationary trapped Rossby waves are solutions to an equation of the same type. We investigate the occurrence of trapped modal waves as well as the rays of wave action radiation in a particular multiple-jet flow. Further we consider the development of the local wavenumbers of Rossby wave packets in such a flow, with and without a zonally oriented reflective boundary. lt is found that wave action can propagate in the zonal direction only when the boundary is present. Otherwise the rays of wave action radiation form a closed curve. / Diese Studie beschäftigt sich mit gefangenen Rossby Wellen und lokalen gefangenen Rossbywellenpaketen in einer zonalen Strömung mit zwei oder mehreren ausgeprägten Extrema (sog. Strömungen mit mehrfachen Jets). Der Einfachheit halber werden die meisten Berechnungen auf der f-Ebene angestellt, eine Erweiterung auf die ß-Ebene wird allerdings auch diskutiert. Wenn man annimmt, dass der Grundstrom die Lösung einer bestimmten gewöhnlichen Differentialgleichung zweiter Ordnung ist, kann man zeigen, dass die Amplituden gefangener Wellen Lösungen des gleichen Gleichungstypes sind. Wir betrachten die Bedingungen für das Auftreten gefangener modaler Wellen, als auch die Pfade der Wellenenergie-Abstrahlung in einer bestimmten Mehrfach-Jet-Strömung. Ferner untersuchen wir die Entwicklung der lokalen Wellenzahlen von Wellenpaketen in einer solchen Strömung, mit und ohne eines zonal orientierten reflektierenden Randes. Wir finden, dass sich Wellenenergie auf der f-Ebene nur dann in zonaler Richtung ausbreiten kann, falls eine solcher Rand vorhanden ist. Anderenfalls ergeben die Strahlen der Wellenenergie Ausbreitung eine geschlossene Kurve.

Bekanntlich sind atmosphärische Rossbywellezüge (RWTs) Lösungen der Singular Vector Analyse eines gedämpften, barotropen Modells mit Nordwinter Grundströmen. In den SV Basen der verwendeten 40 DJF Grundströme konnten nur wenige wachsende den Rossbywellenzügen ähnliche (RWT Moden) Singulären Vektoren (SVen) gefunden werden. Die RWT Moden kommen nur in wenigen Gebieten der Erde vor. Die instabilste Mode entwickelt sich in der Region des Nordpazifiks (NPACs) innerhalb von 4 Tagen in jedem der verwendeten beobachteten DJF Grundströme. Alle anderen RWT Moden kommen nur bei Verwendung einiger der Grundströme vor. Ihre Entwicklungspfade sind eindeutig für Entwicklungszeiten bis zu 96 h und streuen für längere Zeiten. Die NPAC Mode erklärt zum Optimierungszeitpunkt 96 h bis zu 60 % der atmosphärischen kinetischen Energie (KE) auf der 300 hPa Fläche in der NPAC Region. Es konnte auch gezeigt werden, daß die Zeitreihe des beobachteten Wachstums der NPAC Mode mit dem berechneten Wachstum (den Eigenwerten) konsistent ist. Interessanterweise zeigt die NPAC-KE zum Optimierungszeitpunkt 96 h auch eine schwach signifikante Korrelation mit dem PNA-Index, die für die Optimierungszeit 144 h nicht mehr existiert. Die Ergebnisse legen die Vermutung nahe, daß die verwendeten Grundströme die Entwicklung der RWT Moden bis zu einer Entwicklungszeit von 4 Tagen dominieren und daß die finite Instabilität maßgeblich zur Entwicklung der beobachteten NPAC Rossbywellenzüge in der Atmosphäre beiträgt. Die Ergebnisse geben Hinweise darauf, daß die NPAC mode auch einen Beitrag zur Entwicklung der PNA leistet.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第20917号 / 理博第4369号 / 新制||理||1627(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 嶺重 慎, 准教授 前田 啓一, 教授 太田 耕司 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

Le phénomène El Niño est le mode dominant de la variabilité du climat aux échelles de temps interannuelles dans le Pacifique tropical. Il modifie considérablement le climat régional dans les pays voisins, dont le Pérou pour lequel les impacts socio-économiques peuvent être dramatiques. Comprendre et prévoir El Niño reste un enjeu prioritaire pour la communauté climatique. Des progrès significatifs dans notre compréhension du phénomène El Niño et dans notre capacité à le prédire ont été réalisés dans les années 80, en particulier grâce à la mise en place du système d'observation dans le Pacifique tropical (programme de TOGA, en particulier, ainsi que l'émergence de l'ère des satellites). À la fin du XXe siècle, alors que de nouvelles théories scientifiques ont été proposées et testées, les progrès réalisés dans le domaine de la modélisation numérique et de l'assimilation de données ont conduit à l'idée que le phénomène El Niño pourrait être prévu avec au moins deux ou trois saisons à l'avance. Or, depuis le début du 21ième siècle, les manifestations du phénomène El Niño ont réduit cette expectative: un nouveau type d'El Niño est a été découvert - identifié par des anomalies de température moins intenses et localisées dans le centre du Pacifique équatorial. Ce phénomène, connu sous le nom CP El Niño pour El Niño Pacifique Central ou El Niño Modoki a placé la communauté scientifique devant un nouveau défi. Cette thèse est une contribution à l'effort international actuel pour comprendre la dynamique de ce nouveau type d'El Niño, dans le but de proposer des mécanismes expliquant sa présence accrue au cours des dernières décennies. Plus précisément, l'objectif de cette thèse est d'étudier le rôle des ondes longues équatoriales dans le Pacifique tropical sur la dynamique océanique et la thermodynamique associées au phénomène El Niño de type Pacifique Central. Cette thèse s'intéresse tout d'abord au premier CP El Niño du 21ième siècle, le phénomène El Niño 2002/03, à partir des sorties d'un modèle de circulation océanique général. Ensuite, nous documentons les caractéristiques des ondes équatoriales de Kelvin aux fréquences Intra Saisonnières (ISKw) sur la période 1990-2011, fournissant une statistique de l'activité des ondes ISKw durant l'évolution des événements El Niño de type Central Pacifique. Nos résultats montrent que l'onde ISKw subit une forte dissipation dans le Pacifique Est, qui est interprétée comme provenant de la dispersion des ondes lorsqu'elles rencontrent le front zonal de la stratification dans l'Est du Pacifique (i.e. la pente de la thermocline d'Ouest en Est). Une réflexion partielle de l'onde ISKw en onde de Rossby équatoriale de près de 120°W est également identifiée, ce qui peut expliquer le confinement dans le Pacifique central des anomalies de température de surface associées aux événements El Niño de type Central Pacifique. Nous suggérons que la fréquence accrue au cours des dernières années des événements CP El Niño peut être associée à l'état froid - de type La Niña - observé dans le Pacifique Equatorial depuis les années 90 et les changements dans la variabilité saisonnière de la profondeur de la thermocline depuis les années 2000. / The El Niño phenomenon is the dominant mode of climate variability at interannual timescales in the tropical Pacific. It modifies drastically the regional climate in surrounding countries, including Peru for which the socio-economical impacts can be dramatic. Understanding and predicting El Niño remains a top-priority issue for the climatic community. Large progress in our understanding of El Niño and in our ability to predict it has been made since the 80s thanks to the improvement of the observing system of the tropical Pacific (TOGA program and emergence of the satellite era). At the end of the Twentieth century, whereas new theories were proposed and tested, progress in numerical modeling and data assimilation led to the idea that El Niño could be predicted with at least 2 or 3 seasons in advance. The observations since the beginning of the 21st century have wiped out such expectation: A new type of El Niño, known as the Central Pacific El Niño (CP El Niño) or Modoki El Niño has put the community in front of a new challenge. This thesis is a contribution to the current international effort to understand the dynamics of this new type of El Niño in order to propose mechanisms explaining its increased occurrence in recent decades. More specifically, the objective of the thesis is to study the role of the oceanic equatorial waves in the dynamic and thermodynamic along the equatorial Pacific Ocean, focusing on the CP El Niño. This thesis first takes a close look at the first CP El Niño of the 21st century of this type, i.e. the 2002/03 El Niño, based on an Oceanic General Circulation Model. Then it documents the characteristics of the IntraSeasonal Kelvin waves (ISKws) over the period 1990-2011, providing a statistics on the ISKws activity during the evolution of CP El Niño events. We find that the ISKw experiences a sharp dissipation in the eastern Pacific that is interpreted as resulting from the scattering of energy associated to the zonal contrast in stratification (i.e. sloping thermocline from west to east). Partial reflection of the ISKw as Rossby waves near 120°W is also identified, which may explain the confinement of CP El Niño warming in the central Pacific. We suggest that the increased occurrence of CP El Niño in recent years may be associated to the La Niña-like state since the 90s and changes in the seasonality of the thermocline since the 2000s.