Multiple Planetary Flow Regimes in the Southern Hemisphere

Abstract

An observational study is made of low-frequency variations of the general circulation in the Southern Hemisphere troposphere with the aid of daily data analyzed at the National Meteorological Center (NMC). In the winter of 1983 there exist two typical patterns of the zonal mean geostrophic wind in the meridional plane. We name them the single jet regime and the double jet regime, each of which persisted with a characteristic duration of a month and appeared twice alternatively. In the single jet regime, the subtropical jet at the tropopause level is strong and the stationary wave of zonal wavenumber (WN=)3 has a larger amplitude than WN=2. On the other hand, in the double jet regime the subtropical jet is weak and the polar night jet extends down to the surface at about 55°S. Dominant stationary planetary waves are WN=1 and 2. These two regimes are also observed in the three years 1980-1982. In terms of the quasi-geostrophic Eliassen-Palm (E-P) flux diagnostics, the vertical component of the E-P flux, which is proportional to the horizontal eddy heat flux, is larger around the mid-latitude troposphere in the single jet regime than in the double jet regime. Consequently, the convergence of the E-P flux, which acts as a wave drag on the mean westerly wind, is larger around the mid- and high latitude tropopause level in the single jet regime than in the double jet regime. The larger wave drag tends to keep the weaker westerlies in the single jet regime. An empirical orthogonal function (EOF) analysis is made to define an index of the zonal mean wind of two dimension The first component of EOF, which represents over 40% of the total variance, corresponds to the variations between the two regimes. The amplitude of this component is used as a kind of 'zonal index'. Time variation of the zonal index is not considered an internal oscillation with an intrinsic frequency because the 'period', which is not an appropriate concept for the present phenomenon, is different in each year. The transition between the regimes is rather rapid compared with the duration of each regime. No clear relation is found between the regime transitions and the annual variation. These observational evidences support an interpretation that this low-frequency variation of the zonal index is the transition between multiple planetary flow regimes in the Southern Hemisphere.

南半球対流圏における大気大循環の長期変動(季節内変動)を調べた。用いた資料はアメリカ気象局(NMC)で毎日解析されている全球ジオポテンシャル高度場である。1983年冬季には, 帯状平均した地衡風は2つの典型的な子午面分布をしていた。それぞれの特徴より, 単一ジェット型, 二重ジェット型と呼ぶことにする。両者ともに約1ヵ月の持続期間を持ち, 交互に2回ずつ出現した。単一ジェット型の折には, 亜熱帯ジェットが強く, 波数3型の循環である.他方, 二重ジェット型の折には, 亜熱帯ジェットが弱く, 成層圏極夜ジェットが南緯55°辺で地表面までその裾野を広げている。500mb 高度場の時間平均図をみると波数2型である。これらの循環形態は1980～1982年の冬季にも見出される。単一ジェット型と二重ジェット型の平均帯状風にともなう波の活動性の違いについて, 準地衝風E-Pフラックスとその収束•発散を用いて調べた。E-Pフラックスの鉛直成分(水平方向のうず熱輸送に比例)は中緯度対流圏で二重ジェット時より単一ジェット時のほうが大きい。その結果, E-Pフラックスの収束は, 中高緯度対流圏界面付近で, 二重ジェット時より単一ジェット時のほうが大きい。つまり, より大きなE-Pフラックスの収束は50～60°Sの対流圏において, より弱い西風(すなわち単一ジェットの構造)を維持する傾向にある。経験的直交関数展開法(主成分解析)を用いて, 帯状平均東西風の2次元(子午面内)変動を特徴づける帯状示数を定義した。40%以上の寄与率をもつ第1主成分の振幅がその示数で, 単一ジェット型と二重ジェット型の間の変動をうまく捉えることができる。この帯状示数の変動は, 固有の周期を持つような内部振動ではない。ある循環形態から別の形態への移り変りは, それぞれの形態の持続期間に比べて短かい。また, この変動は地球公転によって生じる強制振動(年変動)との明白な関連はない。これらの事実は「南半球で見い出された惑星規模循環の季節内変動を, 同一外部条件の下での複数の循環形態間の遷移として択えることができる。」という解釈を支持する。