Wave-mean flow interaction during stratospheric vortex weakening events

This thesis examines the dynamical evolution of stratospheric polar vortex on intraseasonal time scale. An emphasis is placed on extreme events, so-called stratospheric vortex weakening (SVW) events. Such events have attracted considerable attention over decades due to their implication to the tropospheric weather and climate variability.The role of planetary-scale waves in the onset of SVW events is first illustrated in the form of a case study using ERA-Interim data set. It is shown that in spite of substantial variability among events, many events present a near-simultaneous coupling between the stratosphere and troposphere, and this is largely caused by enhanced poleward and upward propagation of planetary-scale waves, the contribution of wavenumber two being especially important.Composite methodology is then applied to SVW events to determine the nature of wave forcing on the extratropical zonal-mean flow in both the stratosphere and troposphere. It is shown that the overall evolution of SVW events is largely explained by conservative dynamics. The non-conservative processes, resulting from diffusion and diabatic forcing, play a relatively minor role in the onset.To evaluate the sensitivity of the results to the choice of reanalysis data, the dynamical consistency of various reanalysis data sets that provide realistic stratospheric circulation is investigated in the extratropical stratosphere. Although forcing of the zonal-mean flow is usually consistent across reanalysis data sets, the large-scale wave and radiation-driven meridional circulation shows significant discrepancies. It is also found that newer reanalysis data sets show marked improvement in zonal momentum budget both in the Northern and Southern Hemispheres.Finally, dry dynamical core experiments are performed to reduce the uncertainties related to the small samples available in observation-based data sets and to isolate the dynamical processes associated with SVW events. Among others, the role of wave dissipation to the evolution of the zonal mean flow is directly computed, taking advantage of the model's explicit diffusion. The onset of SVW events is shown to be essentially transient in nature, resulting from a temporal increase in wave activity due to the enhanced wave fluxes from the troposphere to the stratosphere. Dissipative processes contribute to the long-term changes of the lower-stratospheric circulation following SVW events.Cette thèse examine l'évolution dynamique intra-saisonnière du vortex stratosphérique polaire. L'emphase est placée sur les évènements extrêmes appelés stratospheric vortex weakening (SVW). Ces évènements ont attiré une attention considérable par leur implication sur la prédictibilité de la météo et du climat de la troposphère.Le rôle des ondes planétaires lors du début des SVW est d'abord illustré sous forme d'une étude de cas dans les données ERA-Interim. Il est démontré qu’en dépit d'une variabilité substantielle parmi les évènements, plusieurs présentent un couplage instantané entre la stratosphère et la troposphère. Ce dernier est causé par un renforcement de la propagation d'ondes planétaires dirigé vers le pôle et la stratosphère, les ondes de longueur d'onde deux jouent un rôle particulièrement important.Une méthodologie utilisant des composites est appliquée aux évènements SVW pour déterminer la nature des forçages d'ondes sur la circulation zonale extratropicale dans la stratosphère et la troposphère. Il est démontré que l'évolution des évènements SVW est principalement expliquée par une dynamique conservatrice. Les processus de dissipation, résultants d'une cascade d'activité d'onde de grandes à petites échelles lors du brisage d'onde dans la stratosphère, jouent un rôle relativement mineur lors du début des évènements SVW.Pour évaluer la sensibilité de ces résultats sur le choix de données, la consistance dynamique de plusieurs réanalyses numériques ayant une circulation stratosphérique réaliste est évaluée dans la stratosphère extratropicale. Bien que le forçage de la circulation zonale soit habituellement similaire parmi les réanalyses, le forçage par la circulation méridionale montre des différences significatives. Il est aussi démontré que les réanalyses modernes montrent une amélioration du budget de quantité de mouvement dans les deux hémisphères.Finalement, des expériences utilisant un cœur dynamique sont effectuées pour réduire l'incertitude reliée aux petits ensembles d'évènements disponibles dans les données d'observations et pour isoler les processus dynamiques associés aux évènements SVW. Parmi plusieurs, le rôle de la dissipation d'onde sur l'évolution de la circulation zonale moyenne est mesurée directement, tirant avantage de la description explicite de la diffusion dans le modèle. Le début des évènements SVW est démontré comme essentiellement un phénomène transitoire, résultant d'une augmentation temporaire de densité d'onde par le renforcement de flux d'onde de la troposphère à la stratosphère. Les processus dissipatifs contribuent aux changements à long terme dans la basse stratosphère suivant les évènements SVW