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Abstract:
Die Analysemethode der Principal Oscillation Pøtterns (POPs) erlaubt es,
auf empirische Art und'Weise räumiiche Muster in multivariaten Zeitserien geo-
physikalischer Daten zu identifizieren, die durch eine regelmåißige zeitliche Ent-
wicklung gekennzeichnet sind. POPs können als die Normalmoden einer iinea-
ren Approximation eines Systems angesehen werden, dessen Dynamik unbekannt
oder sehr komplex ist. Die Systemmatrix des einfachen, linearen Systems wird
dabei aus Reaiisierungen des komplexen Systems geschätzt, die aus Beobachtun-
gen oder Modelldaten bestehen können.
Ein klassischer und konzeptuell verschiedener Zugang zu der Herleitung von
Normaimoden besteht in der Linea¡isierung einer oder mehrerer dynamischer
Gleichungen und der Berechnung der entsprechenden Eigenfunktionen. Dazu
müssen natürlich die dominierenden physikalischen Mechanismen bekannt sein.
Diese beiden Konzepte werden am Beispiel langer und synoptischer'Wellen
d.h. zonaie'Wellenzahlen 4 bis 9) in mittleren Breiten beider Hemisphåiren ver-
glichen, die für die extratropische Variabiliiät auf Zeitskalen von weniger als 10
Tagen verantwortlich sind. Diese Variabilität wird im allgemeinen der zyklogene-
tischen Aktivität zugeschrieben, die aus der Instabilität eines mittleren Zusta¡r-
des gegenüber Störungen kleiner Ampliiuden resultiert. Für den statistischen
Teii werden POP-Analysen der räumlich und zeitlich entsprechend gefilterten
geopotentiellen Höhen aus Beobachtungsdaten der Jahre 1984 bis 1987 durch-
geführt. Im Gegensatz dazu werden konventionelle lineare Stabilitätsanalysen
mit zonal symmetrischen und zonal asymmetrischen Grundzuständen betrach-
tet, die von der quasi-geostrophischen Gleichung für die potentielle Vorticity
ausgehen. Indem die Daten und die theoretische Dynamik in der gleichen Art
und lVeise untersucht werden (Normalmoden), wird ein direkter Vergleich zwi-
schen Beobachtungen und Theorie ermögiicht.
Die Ergebnisse der.P OP-Ana|ysen und der linearen Siabilitätsanaiysen erge-
ben eine weitgehende Ubereinstimmung der zeitlichen und räumlichen Struktur
der signiflkantesten POPs und der instabilsten \Mellen. Dies zeigt die Äquivalenz
der beiden Zugänge, nämlich der empirischen Analyse atmosphärischer Beob-
achtungen und der theoretischen Methode, die eine dynamische Approximation
erster Ordnung darstelit.
Zusàtzlich ergeben die POP-Anaiysen auch lvloden, die mit der nichtlinea¡en
Abklingphase im Lebenszyklus barokÌiner Wellen verknüpft werden können. Die
vertikale Struktur der POPs stimmt mit den Beobachtungen überein, während
die instabilen Moden durch zu große Maxima in Bodennåihe gekennzeichnet
sind. Die Ergebnisse der POP-Analysen geben die beobachtete intersaisonale
und interhemisphärische Variabilität der atmosphärischen Fluktuationen der un-
tersuchten Größenordnungen wieder. Werden Variationen mit dem Längengrad
berücksichtigt, so geben sowohl dte POP- ais auch Stabilitätsanalysen die cha-
rakteristischen Merkmale der extratropischen Zirkuiation wieder, die aus der
zonalen Inhomogenität der Strömung resultieren (Sturmbahnen).
