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

No description available.

<p dir="ltr">Rossby wave dynamics that affects tropical cyclone size and genesis</p>

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