Intraseasonal evolution characteristics of stratosphere-troposphere coupling in association with Arctic sea ice changes and Northern Hemisphere tropopause variability

Abstract

Variations in stratospheric polar vortex and associated stratosphere-troposphere interaction during boreal winter play an important role in the subseasonal prediction of tropospheric weather. In order to better understand stratosphere-troposphere interaction, this study scrutinizes intraseasonal evolutionary characteristics of stratospheric polar vortex fluctuations in terms of two different physical variables: sea ice and tropopause. The leading two modes of winter Arctic sea ice cover variability and their linkage to stratospheric polar vortex variations are analyzed. The first mode represents an accelerating trend of Arctic sea ice decline associated with Arctic amplification, particularly in the Barents and Kara Seas. The second mode is associated with decadal-scale phase shifts of dipole sea ice anomalies in the North Atlantic caused by NAO circulation. The first two modes of sea ice variability represent respectively a forced climate change and internal variability. Sea ice reduction in the Barents and Kara Seas for the first mode is linked to a stratospheric vortex weakening during mid January–late February. The second mode with the dipole structure of positive sea ice anomalies in the Barents and Greenland Seas and negative anomalies in the Hudson Bay and Labrador Sea is related to a stratospheric vortex weakening during December–early February. The spatial evolutionary structure of anomalous polar vortex also exhibits differences between the two modes. When stratospheric anomalies are fully developed, stratospheric vortex is shifted to Eurasia in the first mode and to Europe in the second mode. These two sea ice modes with different low-frequency variations partly contribute to a long-term mean change in subseasonal evolution of stratospheric polar vortex. To identify general evolutionary characteristics in stratosphere-troposphere coupling, the leading modes of Northern Hemisphere tropopause variability for November–April and the associated stratosphere-troposphere variability were analyzed. The first two modes feature the intraseasonal evolution of tropopause pressure anomalies over the Arctic, which respond directly to stratospheric temperature fluctuations in association with stratospheric polar vortex variations. These two modes reflect the link between stratospheric polar vortex strength and high-latitude tropospheric circulation. The first mode represents a single-phase fluctuation of the stratospheric polar vortex from winter to early spring. The second mode describes a two-phase fluctuation of the stratospheric vortex with opposite signs in winter and in spring. Tropopause pressure anomalies near the mid-latitude tropospheric jet regions exhibit significant zonal variation. In the first mode, in particular, these mid-latitude tropopause anomalies are linked to asymmetric jet variations in the Atlantic and the Pacific regions. In regard to the Northern Annular mode, distinct vertical evolution structures of the two modes are practically related to the interannually varying structure of extreme vortex events with relatively long persistence. The results can help to improve the seasonal predictability of the Arctic climate by better understanding the evolutionary structure and potential timing of individual vortex events.

북반구 겨울철의 성층권 극소용돌이 변동 및 관련 성층권-대류권 상호작용은 대류권 날씨의 계절내 예측에 있어서 중요한 요소들이다. 성층권-대류권 상호작용에 대해 좀 더 정확하게 이해하기 위하여, 본 연구에서는 해빙 및 대류권계면 변동과 관련해 성층권 극소용돌이 변동의 계절내 진화 특성을 면밀히 조사하였다. 먼저, 성층권 극소용돌이 변동에 영향을 미치는 요인 중 하나인 해빙 변동의 주요 모드가, 북극 온난화 증폭과 관련된 북극 해빙 감소 시그널과 북대서양 진동과 관련된 북대서양 쌍극 해빙 변동 시그널임을 확인하였다. 이는 바렌츠-카라해 해빙 감소의 가속화 시그널과 래브라도해 해빙의 십년규모 위상 감소 시그널을 반영하며, 두 해빙 변동 과정 모두 겨울철 성층권 소용돌이 약화를 동반한다. 하지만 해빙 변동 모드에 따라 성층권 극소용돌이 약화의 발생시기와 소용돌이의 위치 혹은 형태 변화는 다르게 나타났다. 첫번째 모드에서는 바렌츠-카라해의 해빙 감소와 함께 1월 중순에서 2월 말 동안에 소용돌이 약화가, 두 번째 모드에서는 바렌츠-그린란드해 해빙 증가 및 래브라도해-허드슨만의 해빙 감소와 함께 12월에서 2월초까지 소용돌이 약화가 동반된다. 지역적 변동 관점에서는, 소용돌이 약화 편차가 가장 발달 했을 때에 성층권 소용돌이가 첫번째 모드에서 유라시아쪽으로 이동하고, 두 번째 모드에서 유럽쪽으로 국한되어 이동하는 경향이 있음을 확인하였다. 또한 두 개 해빙 모드의 다른 장주기 변동이 겨울철 성층권 극소용돌이 진화의 장기 평균 변화에 기여함을 확인하였다. 한편, 이런 특정 대류권 요인에 관련된 성층권 소용돌이 변동뿐만 아니라 성층권 소용돌이의 보편적인 계절내 진화 특성 또한 명확하게 이해되지 못하고 있다. 본 연구에서는 성층권과 대류권 사이의 경계면에 해당하는 대류권계면 변동의 주요 모드와 관련해 11월~4월 기간 동안의 성층권-대류권 연직 변동 특성에 대해 분석하였다. 결과는 주요 대류권계면 변동이 성층권 극소용돌이의 겨울철-이른 봄철 동안 지속되는 단일 위상 변동과 겨울철-봄철에 반대되는 2개 위상 변동의 직접적 영향을 받음을 확인하였다. 동서평균장 관점에서는 두 모드 모두에서 성층권 소용돌이와 대류권 고위도 순환장의 일관된 진화 양상이 특징적으로 나타났다. 하지만, 지역적 관점에서는 성층권 소용돌이와 대류권 제트 변동 사이에 비대칭적 관계가 존재함을 확인하였다. 특히 첫번째 모드에서는 2-3월에 성층권 극소용돌이 약화와 함께 대서양 제트축은 적도쪽으로 이동하지만 태평양 제트축은 극쪽으로 이동하는 경향이 있음이 확인되었다. 또한 성층권 극소용돌이 개별 이벤트들의 발달 구조 및 발달 시기가 해마다 변동하는 것이 두 대류권계면 모드의 변동에 의존하고 있음을 확인하였다. 결과는 성층권-대류권 연직 변동의 주요 발달 특성 뿐만 아니라 개별 특성에 대한 심화된 이해를 가능하게 함으로써, 날씨의 계절내 예측성 향상에 도움을 줄 것으로 예상된다.