Über den Mechanismus der unperiodischen Schwankungen der allgemeinen Zirkulation der Nordhalbkugel

Zusammenfassung

Nach der Methode der Chicagoer Meteorologen-Schule unterscheidet man in der großen allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre der gemäßigten Breiten rund um die ganze Nordhalbkugel zwei gegensätzliche Haupttypen: den High Index und den Low Index. Diese Typen beherrschen zeitweise für einige Zeit das Bild der allgemeinen Zirkulation der mittleren und höheren Breiten. Es war nun von Wichtigkeit festzustellen, welche Vorgänge sich in der Atmosphäre beim Übergang von dem einen zum anderen Zirkulationstypus abspielen und wie der innere Mechanismus dieser Umwandlung gestaltet ist. Eine Untersuchung dieser Art bildet den Inhalt der folgenden Arbeit, die ich an der Hand des umfangreichen Materials der Nordhemisphäre des Winterhalbjahres 1951/52 ausgeführt habe.

Die Umwandlung eines Low in einen High Index-Typ ist charakterisiert durch folgende Merkmale: Auftreten eines ausgeprägten Druckanstieges und einer gleichzeitig auftretenden Erwärmung in der gesamten Troposphäre über dem subtropischen westlichen Atlantik während der Andauer eines gut ausgeprägten Low Index. Ausbreitung dieses Einflusses (Wärmewelle großräumiger Natur) auf bevorzugter Bahn rund um die Nordhalbkugel. Zerstörung der Kältezungen oder Tröge des Druckfeldes der Low Index-Zirkulation (cut off-Prozesse) und Ausbildung eines mehr zonalen Jetstream in höheren Breiten. Ähnliche Wärmevorstöße stellen sich auch über dem Westpazifik ein, jedoch sind die westatlantischen in der bearbeiteten Jahreszeit stärker, wobei jahreszeitliche Unterschiede bestehen. Das Endresultat des Umwandlungsprozesses ist die Kontraktion des zirkumpolaren Wirbels gegen die höheren Breiten zu bei gleichzeitig beträchtlicher Abkühlung der polaren Atmosphäre.

Die Umandlung des High Index-in einen Low Index-Typ wird eingeleitet druch Kälteausbrüche aus dem Polargebiet, das zu dieser Zeit besonders kalte Struktur aufweist (cold dome). Die Hauptausbrüche sind an bestimmte geographische Stellen gebunden (Nordostasien, Alaska-Nordwestkanada, Grönland-Island). Die folgende Ausbildung von Kaltluftzungen mit entsprechend dazwischen liegenden Wärmevorstößen aus Süden ist begleitet von einer starken Mäanderung (Wellenbildung) im Jetstream, dessen mittlere Lage nun südlicher ist. Die Folge dieser Bildungen ist die Verdrängung der Kaltluft aus dem Polargebiet und ihre Verlagerung in mehrere Kältezentren (Nordostsibirien, Nordostkanada und Nordeuropa) bei gleichzeitiger Erwärmung des Polargebietes.

Die mit den Umwandlungsprozessen auftretenden Temperaturschwankungen in der Tropo- und Stratosphäre konnten an Hand der zweimal täglichen Radiosondenaufstiege auf Ellesmere-Island eingehend untersucht werden und zeigten in Bestätigung der früher erwähnten Feststellungen in eindrucksvoller Weise das thermische Verhalten der Polarkalotte bei solchen großräumigen Schwankungen der allgemeinen Zirkulation.

Es konnte einwandfrei festgestellt werden daß diese Übergänge von einem zum anderen konträren Zirkulationstyp stets in derselben Weise vor sich gehen und einen derartigen, fast gesetzmäßigen Ablauf zeigen, daß eine Verwendung der Ergebnisse für lang- und mittelfristige Prognosen möglich erscheint. Einzig und allein die Intensität des Ablaufvorganges unterliegt Schwankungen, die scheinbar vom vorhergehenden Zustandsbild der allgemeinen Zirkulation der mittleren Breiten und von der Intensität der Wärmewelle aus den Subtropen abhängt.

Summary

Following the method of the Chicago meteorological school two contrary main types are distinguished in the general circulation of the atmosphere of medium latitudes around the whole Northern Hemisphere: the High Index and the Low Index. From time to time these types dominate, for certain periods, the pattern of the general circulation of medium and higher latitudes. It was important to establish the atmospheric processes taking place with the transition from one to the other type of circulation and to throw light upon the inner mechanism of this transformation. This paper contains such a study I carried out making use of the extensive material of observations on the Northern Hemisphere during the winter half year 1951/52.

The transformation of a Low into a High Index type is characterized by the following points: occurrence of a pronounced increase of pressure and a simultaneous warming of the whole troposphere above the subtropical western Atlantic as long as a strongly marked Low Index lasts; expansion of this influence (warm wave of vast extension) on a preferred course around the Northern Hemisphere; destruction of the cold air tongues or troughs of the pressure field of the Low Index circulation (cut-off processes) and formation of a more zonal jetstream in higher latitudes. Similar advances of warm air take place also above the western Pacific, the Westatlantic ones, however, being stronger during the season under consideration. There exist seasonal differences. The final result of the transformation process is the contraction of the circumpolar whirl towards higher latitudes, accompanied by a considerable cooling of the polar atmosphere.

Transformation of a High Index into a Low Index type starts with outbreaks of cold air from the polar region which, at this time, shows a particularly coil structure (cold dome). The main outbreaks are closely connected with determined geographical regions (Northeast Asia, Alaska-Northwest Canada, Greenland-Iceland). Subsequent formation of cold air tongues between which warm air advances from the South is associated with a strong meandering (undulation) of the jetstream the average position of which then has moved southward. The consequence of such formations is the displacement of cold air from the polar region and its transport to different centers of cold air (Northeast Siberia, Northeast Canada, and Northern Europe), with simultaneous warming of the polar region.

The temperature variations in the troposphere and stratosphere occurring in connection with the transformation processes could be studied in detail by evaluation of the records of the Ellesmere-Island radiosonde ascents which are carried out twice a day. They showed most impressively the thermic conditions of the polar cap during such large-scale variations of the general circulation, thereby confirming the above mentioned views.

It could be readily established that such transitions from one to the other contrary type of circulation always take place in the same way and show such a regular course as to render possible application of the results to long and middle-term forecasts. The intensity of the transition process only undergoes variations seemingly depending on the precedent state of the general circulation of medium latitudes and on the intensity of the warm wave from the Subtropics.

Résumé

Selon les vues de l'école de Chicago, on distingue deux types opposés de circulation générale de l'atmosphère des latitudes moyennes, désignés respectivement par les types «high index» et «low index» qui caractérisent pendant un certain laps de temps l'image de la circulation générale des latitudes moyennes et hautes. Il était intéressant de déterminer la nature des phénomènes accompagnant le passage d'un type à l'autre et de mettre en lumière le mécanisme de ce changement. La présente étude, élaborée sur la base du vaste matériel d'observations de l'hémisphère Nord de l'hiver 1951/52 constitue un essai dans ce sens.

La transformation d'un type low index en un type high index présente les caractères suivants: hausse marquée de pression accompagnée d'un réchauffement de toute la troposphère de la partie subtropicale ouest de l'Atlantique apparaissant pendant la durée d'un type bien développé à low index; extension de cette vague de chaleur à grande échelle sur un parcours privilégié, tout autour de l'hémisphère Nord; destruction des langues d'air froin et des couloirs dépressionnaires de la circulation low index et formation d'un jet stream plus zonal aux hautes latitudes. Il existe également de telles poussées chaudes sur le Pacifique occidental, mais moins puissantes que celles de l'Atlantique, sour réserve de variations saisonnières. Le résultat final est la contraction du tourbillon circumpolaire vers les latitudes élevées, accompagnée d'un refroidissement notable de l'atmosphère polaire.

La transformation d'un type high index en un type low index débute par des invasions froides venant du domaine polaire particulièrement froid à ce moment; les invasions principales intéressent particulièrement froid régions déterminées (Nord-Est de l'Asie, Alaska et Nord-Ouest du Canada, Groenland et Islande). La formation subséquente de langues d'air froid séparées par des poussées chaudes du Sud est accompagnée d'une forte déformation ondulatoire (allure méandrique) du jet stream qui, dans ces conditions, se déplace vers le Sud. Il s'ensuit une dispersion de la calotte froide polaire en plusieurs centres froids (Nord-Est de la Sibérie et du Canada, Europe septentrionale) et un réchauffement de l'atmosphère polaire.

Les variations de température de la troposphère et de la stratosphère dues à ces processus ont pu être étudiées à fond à l'aide des radiosondages bi-journaliers effectués à Ellesmere-Island et elles ont confirmé d'une façon éclatante les modifications thermiques de la calotte polaire au cours de ces vastes mouvements atmosphériques.

On a pu clairement montrer que les passages de l'un à l'autre type de circulation se font toujours de la même façon et cela avec une telle régularité qu'une application à la prévision à longue ou moyenne échéance paraît possible. Seule l'intensité des phénomènes présente des variations qui dépendent apparemment de l'état initial de la circulation des latitudes moyennes et de l'intensité de la poussée chaude subtropicale.