Rossby wave packets and their role in temperature extremes

Abstract

Eastward propagating Rossby wave packets (RWPs) are a dominant feature of the midlatitude circulation. They are reflected in the upper-tropospheric meridional wind field as a longitudinally-confined group of northerlies and southerlies. Their documented relevance to weather extremes necessitates the development of diagnostic methods that can identify and investigate their properties locally in space and time. The overarching goal of this work is to develop such diagnostics, investigate the local properties of RWPs and quantify their role in temperature extremes.The diagnostic methods are based on the analytic signals of the filtered upper-tropospheric meridional wind and its envelope function along latitude circles. RWP properties like the local amplitude, wavelength, phase velocity, and group velocity collectively provide the main characteristics of the upper-tropospheric flow in the midlatitudes at any instance in time, but also reveal its distinct climatological patterns. Based on them, the role of RWPs in the occurrence and duration of temperature extremes is investigated. In particular, regression analyses show that the probability for a temperature extreme in many parts of the Northern Hemisphere increases significantly with RWP amplitude; a linkage that cannot be revealed so clearly when employing non-local metrics like the Fourier amplitudes of meridional wind. The role of RWPs as large-scale upstream precursors is further emphasized in an investigation of Southeastern European hot and cold extremes.Identifying and following the spatiotemporal evolution of RWPs also proves beneficial in exploring the lifetime of the 2003 and 2010 heat waves in Western Europe and Russia respectively. In doing so, it is shown that a single one or several successive non-circumglobal RWPs can create the large-scale environment where temperature anomalies can amplify and — in combination with physical processes of smaller scale — lead to extreme events. During such cases of persistent temperature extremes the role of below-normal RWP phase velocity is found to be critical. The combined effect of RWP amplitude and phase velocity in the occurrence and duration of temperature extremes is quantified using a sufficiently large sample of short-lived and persistent events in 40 years of reanalysis data (1979–2018).Global climatologies of local RWP amplitude, phase velocity and group velocity are produced for the first time and reveal the major differences in the upper-tropospheric circulation of the Northern and Southern Hemispheres. Moreover, important aspects of the seasonal variability in particular regions are discussed. Finally, an investigation of medium-range forecast biases of the Northern Hemisphere RWP properties using 6 years of ECMWF operational forecasts (2013–2018) suggests possible implications for the practical predictability of temperature extremes occurrence and duration.Overall, this work contributes to the overarching goal of improving our understanding of RWPs and temperature extremes. The aforementioned findings and the novel diagnostics will be beneficial for future research on the processes that affect the RWP evolution and its implications to the occurrence and predictability of extremes at both the weather and climate time scales.

Η διάδοση κυματοπακέτων Rossby (RWP) προς την ανατολή αποτελεί κυρίαρχο χαρακτηριστικό της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας στα μέσα γεωγραφικά πλάτη. Τα RWP αντικατοπτρίζονται στο πεδίο του μεσημβρινού ανέμου της ανώτερης τροπόσφαιρας ως μια περιορισμένου μήκους αλληλουχία βόρειων και νότιων ανέμων. Η παρατηρηθείσα σχέση των RWP με ακραία καιρικά φαινόμενα απαιτεί την ανάπτυξη διαγνωστικών μεθόδων εντοπισμού και διερεύνησης των ιδιοτήτων τους τοπικά στο χώρο και στο χρόνο. Ο πρωταρχικός στόχος αυτής της εργασίας είναι η ανάπτυξη τέτοιων μεθόδων, η διερεύνηση των τοπικών ιδιοτήτων των RWP και η ποσοτικοποίηση του ρόλου τους στα επεισόδια ακραίων θερμοκρασιών.Οι διαγνωστικές μέθοδοι βασίζονται στα αναλυτικά σήματα του φιλτραρισμένου μεσημβρινού ανέμου της ανώτερης τροπόσφαιρας και της περιβάλλουσας καμπύλης (πλάτους) του κατά μήκος κύκλων γεωγραφικού πλάτους. Οι τοπικές ιδιότητες των RWP όπως το πλάτος, το μήκος κύματος, η ταχύτητα φάσης και η ταχύτητα ομάδας αποτελούν συλλογικά τα κύρια χαρακτηριστικά της ανώτερης τροποσφαιρικής ροής στα μέσα γεωγραφικά πλάτη σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές, αλλά επίσης αποκαλύπτουν και τα διακριτά κλιματολογικά της χαρακτηριστικά. Με βάση αυτές, διερευνάται ο ρόλος των RWP στην εμφάνιση και τη διάρκεια επεισοδίων ακραίων θερμοκρασιών. Ειδικότερα, αναλύσεις παλινδρόμησης δείχνουν ότι η πιθανότητα εμφάνισης ακραίων θερμοκρασιών σε πολλά μέρη του βόρειου ημισφαιρίου αυξάνεται σημαντικά με το πλάτος των RWP· μια σύνδεση που δεν μπορεί να αποκαλυφθεί τόσο καθαρά όταν χρησιμοποιούνται μη τοπικές μέθοδοι όπως τα πλάτη Fourier του πεδίου του μεσημβρινού ανέμου. Ο ρόλος των RWP ως μεγάλης κλίμακας πρόδρομων ακραίων φαινομένων από τα δυτικά επαληθεύεται και μέσω μιας ανάλυσης των θερμών και ψυχρών ακραίων θερμοκρασιών της Νοτιοανατολικής Ευρώπης.Ο εντοπισμός και η παρακολούθηση της χωροχρονικής εξέλιξης των RWP αποδεικνύεται επωφελής και στη διερεύνηση των κυμάτων καύσωνα του 2003 και του 2010 στη Δυτική Ευρώπη και τη Ρωσία αντίστοιχα. Με αυτήν την ανάλυση αποδεικνύεται ότι ένα ή περισσότερα διαδοχικά RWP περιορισμένου μήκους μπορούν να θέσουν τις βάσεις για την ενίσχυση θερμοκρασιακών αποκλίσεων και - σε συνδυασμό με φυσικές διεργασίες μικρότερης κλίμακας — να οδηγήσουν σε ακραία φαινόμενα. Αποδείχτηκε ότι σχετικά μικρή ταχύτητα φάσης των RWP παίζει σημαντικό ρόλο σε τέτοιες περιπτώσεις που οι ακραίες θερμοκρασίες διαρκούν αρκετές μέρες. Στη συνέχεια, η συνδυαστική επίδραση του πλάτους και της ταχύτητας φάσης των RWP στην εμφάνιση και τη διάρκεια επεισοδίων ακραίων θερμοκρασιών ποσοτικοποιήθηκε στατιστικά χρησιμοποιώντας ένα αρκετά μεγάλο δείγμα επεισοδίων μικρής και μεγάλης διάρκειας και δεδομένα μετα-ανάλυσης 40 ετών (1979-2018).Παγκόσμιοι κλιματολογίκοι χάρτες του πλάτους, της ταχύτητας φάσης και της ομαδικής ταχύτητας των RWP τοπικά παράγονται για πρώτη φορά και αποκαλύπτουν τις μεγάλες διαφορές στην κυκλοφορία της ανώτερης τροπόσφαιρας μεταξύ Βόρειου και Νότιου Ημισφαίριου. Επιπλέον, υπογραμμίζονται και σχολιάζονται σημαντικές πτυχές της εποχιακής μεταβλητότητας αυτών των ιδιοτήτων σε συγκεκριμένες περιοχές. Τέλος, διερεύνηση των επιχειρησιακών προγνώσεων καιρού του ECMWF κατά την περίοδο 2013-2018 στο Βόρειο Ημισφαίριο υποδεικνύει οτί συστηματικά σφάλματα στις ιδιότητες των RWP πιθανώς να έχουν συνέπειες στην πρακτική προγνωσιμότητα της εμφάνισης και της διάρκειας των ακραίων θερμοκρασιών.Συνολικά, αυτή η εργασία συμβάλλει στον πρωταρχικό στόχο της βελτίωσης της κατανόησης των RWP και των επεισοδίων ακραίων θερμοκρασιών. Τα προαναφερθέντα ευρήματα και οι προτεινόμενες διαγνωστικές μέθοδοι θα ωφελήσουν μελλοντικές έρευνες σχετικά με τις διεργασίες που επηρεάζουν την εξέλιξη των RWP και τις επιπτώσεις τους στην εμφάνιση και την προγνωσιμότητα ακραίων φαινομένων τόσο σε καιρικές όσο και σε κλιματικές χρονικές κλίμακες.