On the Existence of the Predictability Barrier in the Wintertime Stratospheric Polar Vortex: Intercomparison of Two Stratospheric Sudden Warmings in 2009 and 2010 Winters

Abstract

To compare the predictability of two stratospheric sudden warming (SSW) events occurring in 2009 and 2010, ensemble forecast experiments are conducted using an Atmospheric General Circulation Model. It is found that the predictable period of the vortex-splitting SSW in 2009 is approximately 7 days that is much shorter than that of the vortex-displacement SSW in 2010. The latter event is predictable more than 13 days in advance. The ensemble spread in the upper stratosphere for medium-range forecasts is found to be enlarged just prior to the onset of the 2009 SSW event, whereas no such enlargement is seen for the 2010 SSW event. Stability analysis of the zonally asymmetric basic states specified by the ensemble mean forecast using a nondivergent barotropic vorticity equation reveals that the extremely distorted polar vortex in the upper stratosphere just before the onset of the 2009 SSW event is highly unstable to infinitesimal perturbations, whereas there is no such unstable mode with an extremely large growth rate during the 2010 SSW event. In addition, the most unstable mode during the onset of the 2009 SSW event has a similar horizontal structure to the 1st EOF of the ensemble spread. Thus, it is suggested that a predictability barrier inherent in the upper-stratospheric circulation, characterized by the presence of dynamically unstable modes with large growth rates, limits the predictable period of the 2009 SSW event.

2009年と2010年に生じた二つの成層圏突然昇温（Stratospheric Sudden Warming: SSW）の予測可能性を比較するため、大気大循環モデルを用いたアンサンブル予報実験を行った。その結果、2009年に生じた極渦分裂型SSWの予測可能期間は約7日で、13日以上前から予測可能であった2010年に生じた極渦変位型SSWに比べかなり短かいことが明らかになった。また、2009年SSWの発生直前に、上部成層圏で、中期予報のアンサンブルスプレッドが拡大することも示された。一方、2010年SSWの発生期ではそのようなスプレッドの拡大は認められなかった。非発散順圧渦度方程式に基づいて実施した、アンサンブル平均予測値で与えられる東西非一様な基本場の力学安定性解析の結果、2009年SSWの発生直前に、極端に変形した上部成層圏極渦は無限小擾乱に対し力学的に極めて不安定となる事が示された。一方、2010年SSWの期間では、そのように非常に大きな成長率を持つ不安定擾乱は存在しなかった。さらに、2009年SSWの発生期に存在する最も不安定な擾乱の水平構造は、アンサンブルスプレッドのEOF第一モードとよく似ていることも示された。従って、本研究の結果より、非常に大きな成長率を持つ力学不安定モードの存在によって特徴づけられる予測障壁が上層成層圏循環に内在したため、2009年SSWの予測可能期間は2010年SSWに比べ極端に短くなったと考えられる。