Kelvin wave activity and the quasi-biennial oscillation in the equatorial lower stratosphere

Abstract

This note presents observational results and their mechanistic understanding of the long-term variation of Kelvin wave activity in the equatorial lower stratosphere. Analyses are made for 15 years (1974-1988), using the rawinsonde station data at Singapore (1°N, 104°E). Occasionally, clear fluctuations with periods near two weeks can be observed in the zonal wind and temperature fields, suggesting the prominent existence of Kelvin waves. The variability of Kelvin wave activity (measured by the power spectral density integrated over periods in the range around two weeks) is clearly related to the quasi-biennial oscillation (QBO) of the zonal wind in the lower stratosphere. Around the 30 mb level, the Kelvin wave activity is vigorous when the wind regime of the QBO rapidly changes from easterlies to westerlies. In order to understand the observational results, we perform a simplified mechanistic calculation following an idea that the momentum flux due to the Kelvin wave is locally constant and suffers damping which is inversely proportional to the vertical group velocity. In this calculation the observed monthly-mean zonal wind data are used for estimating Kelvin wave amplitudes on a monthly basis. Results of the calculation represent well the long-term variation of Kelvin wave activity associated with the QBO.

ここでは赤道域下部成層圏におけるケルビン波の活動性の長周期変動に関する観測結果を示すとともに、簡単なモデルを用いてそのメカニズムの理解を試みる。シンガポール(1N, 104E)におけるゾンデ観測データを用い、1974年から1988年の15年間にわたって解析をおこなったところ、ときおりケルビン波にともなうと考えられる約2週間の周期性を持った変動を東西風および温度場に見ることができる。ケルビン波の活動性(ここでは約2週間の周期帯で積分したパワースペクトル密度で定義した)は、明らかに下部成層圏の東西風に見られる準2年周期振動(QBO)と関連して変動している。30mb付近では、東西風のQBOが急速に東風から西風に変わるときケルビン波の活動性が活発になる。この観測結果を理解するために次のような考え方にもとづいて簡単な計算をおこなった:すなわち、ケルビン波にともなう運動量フラックスは局所的に一定で鉛直群速度に反比例するような減衰を受ける。この計算では、月毎にケルビン波の振幅を見積もるため、観測された月平均東西風データを用いた。計算結果はQBOと関連したケルビン波の活動性の長周期変動をよく再現している。もなうと考えられる約2週間の周期性を持った変動を東西風および温度場に見ることができる。ケルビン波の活動性(ここでは約2週間の周期帯で積分したパワースペクトル密度で定義した)は、明らかに下部成層圏の東西風に見られる準2年周期振動(QBO)と関連して変動している。30mb付近では、東西風のQBOが急速に東風から西風に変わるときケルビン波の活動性が活発になる。この観測結果を理解するために次のような考え方にもとづいて簡単な計算をおこなった:すなわち、ケルビン波にともなう運動量フラックスは局所的に一定で鉛直群速度に反比例するような減衰を受ける。この計算では、月毎にケルビン波の振幅を見積もるため、観測された月平均東西風データを用いた。計算結果はQBOと関連したケルビン波の活動性の長周期変動をよく再現している。