Downward influences of Sudden Stratospheric Warming (SSW): 2018 SSW nudging experiment

Abstract

The downward influences of 2018 Sudden stratospheric warming (SSW) are examined by nudging the zonal-mean stratospheric state above 90-hPa in the global climate model, Global/Regional Integrated Model system (GRIMs). The free-running experiment (FREE) fails to forecast the SSW because of the long lead time, 18 days before the onset. However, the nudged experiment (NUDGED) simulates the positive polar-cap averaged geopotential height anomaly index (PCI) in the troposphere and the negative phase of the North Atlantic Oscillation (NAO) compared to FREE. The geopotential and surface pressure budget analyses are performed to examine a mechanism for the downward influences. When PCI differences are decomposed to the surface and thickness portions, an increase of surface pressure near the SSW onset explains the tropospheric PCI differences. The surface pressure budget shows strong mass convergence above 50-hPa near the SSW onset in NUDGED, contributing to the increase in surface pressure. Nudged easterly induces poleward circulation in the polar stratosphere, and this dynamic process is verified by two sensitivity tests. This result indicates that although there is less air mass in the stratosphere, an anomalous event like SSW can contribute to the change in the surface pressure and suggest a new possible mechanism for the downward influences of SSWs.

2018년 성층권 돌연승온(Sudden Stratospheric Warming; SSW) 현상이 대류권 순환장에 미친 영향을 확인하기 위하여, 전지구 모형인 Global/Regional Integrated Model system (GRIMs)에서 성층권 동서평균 너징 실험이 수행되었다. 너징 없이 수행된 실험(FREE)에서는 발생일 18일 이전에 초기화되면서 돌연승온을 예측하는데 실패하였다. 반면 너징이 진행된 실험(NUDGED)에서는 FREE 실험 대비하여 양의 극지방 지위고도 아노말리(polar-cap geopotential height anomaly index; PCI)와 음의 위상의 북대서양 진동(North Atlantic Oscillation; NAO)을 모의하였다. 2018년 돌연승온의 대류권 영향 메커니즘을 이해하기 위해 지위고도와 표면 기압 버짓 분석이 수행되었다. 두 실험에서 보인 PCI 차이를 지표와 층후 성분으로 나누었을 때, 대류권에서의 PCI 차이는 지표 성분에 의해 나타나며 발생일 부근의 증가가 중요하였음을 지위고도 버짓 분석을 통해 확인하였다. 또한 표면 기압 버짓 분석을 통해 NUDGED 실험의 50-hPa 고도 위에서 강한 공기의 수렴이 존재하였으며, 이 성층권에서의 강한 질량 수렴이 표면 기압을 증가시켰음을 확인하였다. 이러한 성층권 극지방 공기 수렴은 너징으로 인한 동풍 아노말리가 전향력을 받아 극으로 향하는 순환이 발생하면서 나타났으며, Global Seasonal forecasting system (GloSea6) 모형에서의 동일한 실험과 GRIMs 모형에서 온도만 너징하는 두개의 민감도 실험을 통해 민감도를 확인하였다. 본 연구 결과를 통해 성층권의 공기 질량이 적더라도 돌연승온같은 강하고 이레적인 현상은 충분히 표면 기압 변화에 기여할 수 있음을 확인하였으며, 성층권 돌연승온에서 보이는 성층권-대류권 접합과정의 새로운 메커니즘을 제시할 수 있을 것으로 보인다.