Delimitacja prądów strumieniowych nad półkulą północną na podstawie reanaliz ERA5 o wysokiej rozdzielczości przestrzennej

• Autorzy: Degirmendžić Jan

Identyfikatory

DOI

10.32045/PG-2022-031

Warianty tytułu

EN

The delimitation of jet streams in the Northern Hemisphere on the basis of high-resolution ERA5 Reanalysis

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem analizy jest delimitacja górnotroposferycznych prądów strumieniowych w polach wiatru o wysokiej rozdzielczości przestrzennej. Wykorzystano 6-godzinne pola wiatru (U, V) na powierzchni 300 hPa o rozdzielczości 0.25°×0.25° z bazy ERA5. Analiza dotyczy zakresu 0°-90°N, sezonu zimowego oraz 40-lecia 1981-2020. Procedura polega na wyznaczeniu pozycji tzw. jet streaków, czyli regionów o najwyższym potencjale cyklogenetycznym osadzonych w osi prądu strumieniowego. Określono pozycję geograficzną gridów centralnych jet streaków oraz prędkość wiatru w tych gridach. Punkt centralny jet streak (JSC) zdefiniowano jako lokalne maksimum prędkości wiatru. Identyfikując JSC zastosowano matrycę sferyczną o stałym promieniu R=500 km. Nie wykorzystano matrycy lat×lon, ponieważ zmniejsza ona swoje rozmiary ku biegunowi, co powoduje zwiększenie udziału small-scale wind features w ogólnej liczbie wykrytych jet streaków w szerokościach okołobiegunowych. Wykryto 311 712 jet streaków. Wyniki analizy przedstawiono na mapach częstości jet streaków oraz średniej prędkości wiatru w JSC. Makroskalowa struktura prądów strumieniowych tworzy układ spirali ze strefą wejścia nad Afryką i strefą wyjścia nad północną Europą. Wśród podzwrotnikowych prądów strumieniowych można wyróżnić: NAAJ (North Africa-Asian Jet) oraz EAJ (East Asian Jet). Strefą graniczną jest obszar niezbyt silnych jet streaków nad Himalajami. Te strumienie są wąskie i mają równoleżnikowy przebieg. Prądy strumieniowe nad wschodnim Pacyfikiem (wschodnia część NPJ) oraz nad Atlantykiem (NAJ) cechują się większą dyspersją szerokości geograficznej, co przejawia się poszerzeniem strugi na mapach klimatycznych oraz mają orientację WSW - ENE. Nad kontynentami widać wyraźny podział na dwa strumienie: polarny (w wyższych szerokościach geograficznych) oraz podzwrotnikowy. Strumień polarny nad środkową i północną Eurazją oraz strumień podzwrotnikowy nad Ameryką Północną mają epizodyczny charakter. Odnoga widoczna poniżej 35°N nad Ameryką zanika w polu prędkości. Prąd strumieniowy nad zachodnim Pacyfikiem – EAJ (lub zachodnia część NPJ) jest najsilniejszy spośród wszystkich makroskalowych struktur na półkuli północnej. Zidentyfikowano obszary górskie, które w wyniku interakcji z hemisferyczym prądem strumieniowym przyczyniają się do formowania układów jet streak. Przedstawiona metoda pozwala na precyzyjną identyfikację stref prądów strumieniowych o największym potencjale cyklogenetycznym.

EN

The aim of this research is an attempt at delimiting the upper tropospheric jet streams based on high resolution (0.25°×0.25°) wind fields from ERA5. The procedure is intended to position the jet streaks (JS), i.e. regions cyclogenetically active, embedded within a jet stream. The geographic coordinates of JS-central grid (JSC) and also wind speed in that grid are specified. The analysis: extends for the winter seasons of 1981-2020, is applied to the 300-hPa level and covers the Northern Hemisphere. Jet streak center (JSC) is defined as a local wind maximum. It meets the following criteria: 1. wind speed in JSC ≥ 50 ms-1, 2. wind speed at every other grid, situated no further then 500 km from the JSC ≤ wind speed at JSC. The spherical cap matrix with constant radius equal to 500 km was used for the JSC detection. The lat×lon matrices are not applicable because their dimension decreases with increasing latitude - therefore they have an ability to detect an excessive number of small-scale wind features in high latitudes. It is an undesirable property because smaller than meso-alfa wind features cannot be classified as jet streaks. JSC points were identified on 6-hourly maps. A total number of 311 712 jet streak centers were inventoried. The results of the analysis are presented on the JSC frequency map and average JSC wind speed map. The local impact of orography was also identified on the JSC frequency maps. Macro-structure of jet streams reveals spiral-like shape with entrance region over Africa and exit region over the northern Europe. NAAJ (North Africa-Asian Jet) and EAJ (East Asian Jet) represent subtropical jet stream. Separation zone is formed from weakly active jet streaks over Himalaya. NAAJ and EAJ are relatively narrow and zonally oriented. Variability in jet stream latitude is higher over the eastern Pacific (eastern part of NPJ) and Atlantic (NAJ), which is manifested as a widening of the jet stream flow. In these two geographic regions the jet flow is WSW - ENE oriented. There is a clear division into two streams over the continents: polar in higher latitudes and subtropical. PFJ over the middle and northern Europe and STJ branch over the North America are episodic in nature. The last one, visible below 35°N in JSC frequency field, vanishes in JSC wind speed field. The jet stream over the western Pacific (EAJ / the western part of NPJ) is the strongest of all macro-scale structures in the Northern Hemisphere. Mountain areas that contribute to the formation of jet streaks by interaction with the hemispheric jet stream have been identified. These areas are as follows: Zagros Mountains, Himalayas, mountains of north-eastern Burma, Sayan and Altai Mountains, Scandinavian Mountains, Alps, Pyrenees, mountains of Scotland, Iceland and western Ireland, Japanese Alps, Kyushu Mountains, Chugach Mountains (Alaska), Coast Mountains of Canada, Cascade Range, Sierra Nevada, Sierra Madre Occidental, Appalachian Mountains (Blue Ridge Mountains, Allegheny Plateau, Adirondack Mountains) and the ice cap of southern tip of Greenland. This study presents a novel approach that enables the accurate detection of the jet streaks. It will be used in future research focusing on the contemporary changes in the position and activity of the upper tropospheric jet streams.

Słowa kluczowe

PL

delimitacja; prąd strumieniowy; jet streak; matryca sferyczna; półkula północna; orografia

EN

delimitation; jet stream; jet streak; spherical cap matrix; Northern Hemisphere; orography

• Wydawca: Polskie Towarzystwa Geofizyczne ; Komitet Geofizyki PAN
• Czasopismo: Przegląd Geofizyczny
• Rocznik: 2022
• Tom: Z. 3-4
• Strony: 73--97
• Opis fizyczny: Bibliogr. 44 po., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Degirmendžić Jan

• Uniwersytet Łódzki, Wydział auk Geograficznych

• https://orcid.org/0000-0002-9022-5822

Bibliografia

• [1] Abish B., Joseph P.V., Johannessen O.M., 2015, Climate change in the subtropical jet stream during 1950-2009, Advances in Atmospheric Sciences, 32 (1), 140-148, DOI: 10.1007/s00376-014-4156-6.
• [2] Ahrens D., 2009, Meteorology Today: An Introduction to Weather, Climate, and the Environment, Brooks/Cole Cengage Learning, 9th edition, 549 s.
• [3] Archer C.L., Caldeira K., 2008a, Historical trends in the jet streams, Geophysical Research Letters, 35 (8), 1-6, DOI: 10.1029/2008GL033614.
• [4] Archer C.L., Caldeira K., 2008b, Reply to comment by Courtenay Strong and Robert E. Davis on ‘‘Historical trends in the jet streams’’, Geophysical Research Letters, 35 (24), DOI: 10.1029/2008GL035114.
• [5] Barnes E.A., Screen J.A., 2015, The impact of Arctic warming on the midlatitude jet-stream: Can it? Has it? Will it?, WIREs Clim Change, 6 (3), 277-286, DOI: 10.1002/wcc.337.
• [6] Barton N.P., Ellis A.W., 2009, Variability in wintertime position and strength of the North Pacific jet stream as represented by re-analysis data, International Journal of Climatology, 29 (6), 851-862, DOI: 10.1002/joc.1750.
• [7] Beebe R.G., Bates F.C., 1955, A mechanism for assisting in the release of convective stability, Monthly Weather Review, 83, 1-10, DOI: 10.1175/1520-0493(1955)083<0001:AMFAIT>2.0.CO;2.
• [8] Belmecheri S., Babst F., Hudson A.R., Betancourt J., Trouet V., 2017, Northern Hemisphere jet stream position indices as diagnostic tools for climate and ecosystem dynamics, Earth Interactions, 21 (8), 1-23, DOI: 10.1175/EI-D-16-0023.1.
• [9] Blanchard D.O., Cotton W.R., Brown J.M., 1998, Mesoscale circulation growth under conditions of weak inertial instability, Monthly Weather Review, 126, 118-140.
• [10] Chenoli S.N., Ahmad Mazuki M.Y, Turner J., Samah A.A., 2017, Historical and projected changes in the Southern Hemisphere Sub-tropical Jet during winter from the CMIP5 models, Climate Dynamics, 48, 661-681, DOI: 10.1007/s00382-016-3102-y.
• [11] Clark A.J., Schaffer C.J., Gallus W.A. Jr., Johnson-O’Mara K., 2009, Climatology of storm reports relative to upper-level jet streaks, Weather and Forecasting, 24, 1032-1051, DOI: 10.1175/2009WAF2222216.1.
• [12] Degirmendžić J., 2000, Zmiany poziomego zasięgu i aktywności Wyżu Azjatyckiego w chłodnej połowie roku, Czasopismo Geograficzne, LXXI (1), 53-66.
• [13] Degirmendžić J., 2011a, Rozkład przestrzenny kwadrantów jet streak w górnej troposferze w okresach dodatniej oraz ujemnej fazy NAO, Przegląd Geofizyczny, LVI (3-4), 149-170.
• [14] Degirmendžić J., 2011b, Wpływ górnotroposferycznych prądów strumieniowych na rozkład przestrzenny niżów barycznych nad Europą, Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego, 332 s.
• [15] Degirmendžic J., 2021, A 45-year climatology of extratropical cyclone locations relative to upper-level jet streak determined by an automatic procedure, International Journal of Climatology, 41 (11), 5143-5158, DOI: 10.1002/joc.7121.
• [16] Galanti E., Raiter D., Kaspi Y., Tziperman E., 2019, The longitudinally-dependent Hadley circulation: seasonality and interannual variability, maszynopis (submitted to Journal of Climate).
• [17] Gallego D., Ribera P., Garcia-Herrera R., Hernandez E., Gimeno L., 2005, A new look for the Southern Hemisphere jet stream, Climate Dynamics, 24, 607-621, DOI: 10.1007/s00382-005-0006-7.
• [18] Geldenhuys M., Preusse P., Krisch I., Zülicke Ch., Ungermann J., Ern M., Friedl-Vallon F., Riese M., 2021, Orographically induced spontaneous imbalance within the jet causing a large-scale gravity wave event, Atmospheric Chemistry and Physics, 21 (13), 10393-10412, DOI: 10.5194/acp-21-10393-2021.
• [19] Harnack R.P., Quinlan J.S., 1989, Association of jet streaks and vorticity advection pattern with severe thunderstorms in the northeastern United States, National Weather Digest, 14, 5-12.
• [20] Hersbach H., Bell B., Berrisford P., Biavati G., Horányi A., Muñoz Sabater J., Nicolas J., Peubey C., Radu R., Rozum I., Schepers D., Simmons A., Soci C., Dee D., Thépaut J-N., 2018, ERA5 hourly data on pressure levels from 1959 to present, Copernicus Climate Change Service (C3S), Climate Data Store (CDS), DOI: 10.24381/cds.bd0915c6.
• [21] Koch P., Wernli H., Davies H.C., 2006, An event-based jet-stream climatology and typology, International Journal of Climatology, 26 (3), 283-301, DOI: 10.1002/joc.1255.
• [22] Lee S., Kim H.-K., 2003, The dynamical relationship between subtropical and eddy-driven jets, Journal of Atmospheric Sciences, 60 (12), 1490–1503, DOI: 10.1175/1520-0469(2003)060<1490:TDRB-SA>2.0.CO;2.
• [23] Li C., Wettstein J.J., 2012, Thermally driven and eddy-driven jet variability in reanalysis, Journal of Climate, 25, 1587-1596, DOI: 10.1175/JCLI-D-11-00145.1.
• [24] Limbach S., Schömer E., Wernli H., 2012, Detection, tracking and event localization of jet stream features in 4-D atmospheric data, Geoscientific Model Development, 5 (2), 457-470, DOI: 10.5194/gmd-5-457-2012.
• [25] Manney G.L., Hegglin M.I., 2018, Seasonal and regional variations of long-term changes in upper-tropospheric jets from reanalyses, Journal of Climate, 31 (1), 423-448, DOI: 10.1175/JCLI-D-17-0303.1.
• [26] Manney G.L., Hegglin M.I., Daffer W.H., Schwartz M.J., Santee M.L., Pawson S., 2014, Climatology of Upper Tropospheric-Lower Stratospheric (UTLS) Jets and Tropopauses in MERRA, Journal of Climate, 27 (9), 3248-3271, DOI: 10.1175/JCLI-D-13-00243.1.
• [27] Molnos S., Mamdouh T., Petri S., Nocke T., Weinkauf T., Coumou D., 2017, A network-based detection scheme for the jet stream core, Earth System Dynamics, 8 (1), 75-89, DOI: 10.5194/esd-8-75-2017.
• [28] Orlanski I., 1975, A subdivision of scales for atmospheric processes, Bulletin of the American Meteorological Society, 56, 527-530.
• [29] Pena-Ortiz C., Gallego D., Ribera P., Ordonez P., Alvarez-Castro M.D.C., 2013, Observed trends in the global jet stream characteristics during the second half of the 20th century, Journal of Geophysical Research. Atmosphere, 118 (7), 2702-2713, DOI: 10.1002/jgrd.50305.
• [30] Pielke R.A. Sr., 2013, Climate Vulnerability: Understanding and Addressing Threats to Essential Resources, Academic Press, 1570 s.
• [31] Pinto J.G., Zacharias S., Fink A.H., Leckebusch G.C., Ulbrich U., 2009, Factors contributing to the development of extreme North Atlantic cyclones and their relationship with the NAO, Climate Dynamics, 32, 711-737, DOI: 10.1007/s00382-008-0396-4.
• [32] Reiter E.R., 1963, Jet-stream meteorology, University Press, Chicago, 515 s.
• [33] Ren X., Yang X., Zhou T., Fang J., 2011, Diagnostic comparison of wintertime East Asian Subtropical Jet and Polar-Front Jet: large-scale characteristics and transient eddy activities, Acta Meteorologica Sinica, 25 (1), 21-33, DOI: 10.1007/s13351-011-0002-2.
• [34] Schiemann R., Lüthi D., Schär Ch., 2009, Seasonality and interannual variability of the westerly jet in the Tibetan Plateau region, Journal of Climate, 22 (11), 2940-2957, DOI: 10.1175/2008JCLI2625.1.
• [35] Serreze M.C., Carse F., Barry R.G., Rogers J.C., 1997, Icelandic Low Cyclone activity: Climatological features, linkages with the NAO and relationships with recent changes in the Northern Hemisphere circulation, Journal of Climate, 10 (3), 453-464, DOI: 10.1175/1520-0442(1997)010<0453:ILCACF>2.0.CO;2.
• [36] Shaffie S., Mozaffari GA., Khosravi Y., 2021, Climatic analysis of effective jet streams frequency on extreme precipitations in west of Iran, Journal of Water and Climate Change, 12 (3), 787-800, DOI: 10.2166/wcc.2020.284.
• [37] Strong C., Davis R.E., 2007, Winter jet stream trends over the Northern Hemisphere, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 133 (629), 2109-2115, DOI: 10.1002/qj.171.
• [38] Strong C., Davis R.E., 2008, Comment on ‘‘Historical trends in the jet streams’’ by Cristina L. Archer and Ken Caldeira, Geophysical Research Letters, 35 (24), DOI: 10.1029/2008GL034829.
• [39] Szymczak R.K., Pyka M.K., Grzywacz T., Marosz M., Naczyk M., Sawicka M., 2021, Comparison of environmental conditions on summits of Mount Everest and K2 in climbing and midwinter seasons, International Journal of Environmental Research and Public Health, 18 (6), 3040, 1-12, DOI: 10.3390/ijerph18063040.
• [40] Thapa U.K., St. George S., Trouet V., 2020, Poleward excursions by the Himalayan subtropical jet over the past four centuries, Geophysical Research Letters, 47 (22), 1-10, DOI: 10.1029/2020GL089631.
• [41] Uccellini L.W., Kocin P.J., 1987, The interaction of jet streak circulation during heavy snow events along the coast of the United States, Weather and Forecasting, 2, 289-308, DOI: 10.1175/1520-0434(1987)002<0289:TIOJSC>2.0.CO;2.
• [42] White R., Battisti D., 2015, Topographic impacts on jet streams and storm tracks: the Mongolian mountains matter, Geophysical Research Abstracts, 17, EGU2015, 3495, EGU General Assembly.
• [43] Zhang Y., Wang D., Ren X., 2008, Seasonal variation of the meridional wind in the temperate jet stream and its relationship to the Asian monsoon, Journal of Meteorological Research, 22 (4), 446-454
• [44] Zolotov S.Y., Ippolitov I.I., Loginov S.V., 2018, Characteristics of the subtropical jet stream over the North Atlantic from reanalysis data, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 211-012005 IOP, DOI: 10.1088/1755-1315/211/1/012005.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).