Atmospheric Circulation Changes in Response to an Observed Stratospheric Zonal Ozone Anomaly

Abstract

In a sensitivity study, the influence of an observed stratospheric zonal ozone anomaly on the atmospheric circulation was investigated using the Fifth Generation European Centre Hamburg Model (ECHAM5) which is a general circulation model. The model was run from 1960 to 1999 (40 years) with a mean seasonal cycle of zonally symmetric ozone. In order to isolate the induced dynamical influence of the observed zonally asymmetric part of the three-dimensional stratospheric ozone, a second run was performed for the boreal extratropics using prescribed monthly means from the 40-year reanalysis dataset from the European Centre for Medium-range Weather Forecasts (ERA-40). The main findings are the interdecadal westward shift of the polar vortex at about 65°N and a significant increase in the number of stratospheric sudden warmings during the 1980–99 period. Under the action of zonally asymmetric ozone a decrease in the Arctic Oscillation was identified between the mid-1980s and the mid-1990s. The lag correlation between the mean Arctic Oscillation at the surface and the daily stratospheric northern annular mode increased in mid-winter. Furthermore, we examined the influence of the stratospheric zonal ozone anomaly on Rossby wave breaking in the upper troposphere and found a significant westward shift of poleward Rossby wave breaking events over western Europe in the winter. By this we show that the stratospheric zonal ozone anomaly has a strong influence on the tropospheric circulation as a result of enhanced dynamical coupling processes.

Résumé

[Traduit par la rédaction] Dans une étude de sensibilité, nous avons étudié l'influence d'une anomalie observée dans l'ozone stratosphérique zonal sur la circulation atmosphérique en nous servant du modèle de circulation générale ECHAM5 (Fifth Generation European Centre Hamburg Model). Le modèle a été exécuté de 1960 à 1999 (40 années) avec un cycle saisonnier moyen d'ozone zonalement symétrique. Afin d'isoler l'influence dynamique induite de la partie zonalement asymétrique observée de l'ozone stratosphérique tridimensionnel, nous avons exécuté une deuxième passe pour les extratropiques boréaux en prescrivant les moyennes mensuelles tirées de l'ensemble de données de réanalyse de 40 ans du Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (ERA–40). Les principaux résultats sont le déplacement interdécennal vers l'ouest du tourbillon circumpolaire à environ 65°N et un accroissement marqué du nombre de réchauffements stratosphériques soudains au cours de la période 1980–1999. Sous l'effet de l'ozone zonalement asymétrique, nous avons identifié un affaiblissement de l'oscillation Arctique entre le milieu des années 1980 et le milieu des années 1990. La corrélation avec retard entre l'oscillation Arctique moyenne à la surface et le mode annulaire boréal stratosphérique journalier s'est accrue au milieu de l'hiver. De plus, nous avons examiné l'influence de l'anomalie d'ozone zonal stratosphérique sur le déferlement des ondes de Rossby dans la haute troposphère et nous avons trouvé un important déplacement vers l'ouest des événements de déferlement d'ondes de Rossby en direction du pôle au-dessus de l'ouest de l'Europe en hiver. Ainsi, nous montrons que l'anomalie d'ozone zonal stratosphérique a un effet marqué sur la circulation troposphérique en conséquence de processus de couplage dynamique renforcés.

Keywords:

• atmospheric circulation
• zonal ozone anomaly
• northern annular mode
• Rossby wave breaking

Acknowledgements

The authors thank ECMWF and Deutscher Wetterdienst for support and for providing the ERA-40 and ERA-Interim datasets. Thanks to Brigitte Wecke for data processing and help in plotting the figures. Further thanks to A. Gabriel and D. Mitchell for help in improving the manuscript. AS was funded by the Predictability ANd Dynamics Of Weather Systems in the Atlantic-European Sector (PANDOWAE) Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Research Group (www.pandowae.de) under DFG-Grant PE-474/7-1. The authors are grateful for the constructive comments from two anonymous reviewers.