Changes of interannual NAO variability in response to greenhouse gases forcing

Observations show that there was change in interannual North Atlantic Oscillation (NAO) variability in the mid-1970s. This change was characterized by an eastward shift of the NAO action centres, a poleward shift of zonal wind anomalies and a downstream extension of climate anomalies associated with the NAO. The NAO interannual variability for the period after the mid-1970s has an annular mode structure that penetrates deeply into the stratosphere, indicating a strengthened relationship between the NAO and the Arctic Oscillation (AO) and strengthened stratosphere-troposphere coupling. In this study we have investigated possible causes of these changes in the NAO by carrying out experiments with an atmospheric GCM. The model is forced either by doubling CO₂, or increasing sea surface temperatures (SST), or both. In the case of SST forcing the SST anomaly is derived from a coupled model simulation forced by increasing CO₂. Results indicate that SST and CO₂ change both force a poleward and eastward shift in the pattern of interannual NAO variability and the associated poleward shift of zonal wind anomalies, similar to the observations. The effect of SST change can be understood in terms of mean changes in the troposphere. The direct effect of CO₂ change, in contrast, can not be understood in terms of mean changes in the troposphere. However, there is a significant response in the stratosphere, characterized by a strengthened climatological polar vortex with strongly enhanced interannual variability. In this case, the NAO interannual variability has a strong link with the variability over the North Pacific, as in the annular AO pattern, and is also strongly related to the stratospheric vortex, indicating strengthened stratosphere-troposphere coupling. The similarity of changes in many characteristics of NAO interannual variability between the model response to doubling CO₂ and those in observations in the mid-1970s implies that the increase of greenhouse gas concentration in the atmosphere, and the resulting changes in the stratosphere, might have played an important role in the multidecadal change of interannual NAO variability and its associated climate anomalies during the late twentieth century. The weak change in mean westerlies in the troposphere in response to CO₂ change implies that enhanced and eastward extended mid-latitude westerlies in the troposphere might not be a necessary condition for the poleward and eastward shift of the NAO action centres in the mid-1970s.     

Twentieth century north atlantic climate change. Part I: assessing determinism

Boreal winter North Atlantic climate change since 1950 is well described by a trend in the leading spatial structure of variability, known as the North Atlantic Oscillation (NAO). Through diagnoses of ensembles of atmospheric general circulation model (AGCM) experiments, we demonstrate that this climate change is a response to the temporal history of sea surface temperatures (SSTs). Specifically, 58 of 67 multi-model ensemble members (87%), forced with observed global SSTs since 1950, simulate a positive trend in a winter index of the NAO, and the spatial pattern of the multi-model ensemble mean trend agrees with that observed. An ensemble of AGCM simulations with only tropical SST forcing further suggests that variations in these SSTs are of primary importance. The probability distribution function (PDF) of 50-year NAO index trends from the forced simulations are, moreover, appreciably different from the PDF of a control simulation with no interannual SST variability, although chaotic atmospheric variations are shown to yield substantial 50-year trends. Our results thus advance the view that the observed linear trend in the winter NAO index is a combination of a strong tropically forced signal and an appreciable noise component of the same phase. The changes in tropical rainfall of greatest relevance include increased rainfall over the equatorial Indian Ocean, a change that has likely occurred in nature and is physically consistent with the observed, significant warming trend of the underlying sea surface.     

Zonal Indices for Europe 1780–1995 and Running Correlations with Temperature

Zonal circulation indices with monthly and seasonal resolutions are calculated based on gridded monthly mean sea-level pressure (SLP) reconstructed back to 1780 by Jones et al. (1999): an overall zonal index for the whole European area between 30°W and 40°E, a normalized index for the North Atlantic Oscillation (NAO), and a similar index for Central Europe. For most of the early time up to the mid-nineteenth century we get preferred negative anomalies in the NAO index for winter and preferred positive ones for summer. The turning points in cumulative anomalies - during the 1850s for winter and during the 1870s for summer - indicate a transition period in circulation modes from the "Little Ice Age" to the recent climate in Europe. Running correlations (time windows of 21 years with time steps of one year) between zonal indices and regional temperature time series from Central England, Stockholm and two Central European regions are all indicating major instationarities in these relationships with a particular decline in winter correlations around the turn from the nineteenth to the twentieth centuries. Aspects of different circulation patterns linked with these variabilities are discussed.     

The variability of annual precipitation in Palestine

Summary The variability of the annual amounts of precipitation over Palestine is discussed by means of a measure called relative interannual variability. The geographical distribution of the values of this measure is drawn in a map and is explained with the aid of the various local climatic conditions. Besides this, a map of the mean annual amounts, of precipitation over Palestine is given (period 1921–1950). Two other measures of variability, namely relative variability and coefficient of variation, are briefly discussed. For the comparison of these three measures correlation coefficients between the average annual rain amounts and each of the three measures are evaluated. They are rather close to one another and, therefore, none of these measures is superior to the other ones.

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Zusammenfassung Mit Hilfe der relativen interannuellen Variabilität wird die Veränderlichkeit der jährlichen Niederschlagshöhen in Palästina untersucht und in einer Karte dargestellt. Die Verteilung der Prozentwerte der relativen interannuellen Variabilität über das Land wird aus den örtlichen klimatischen Bedingungen erklärt. Außerdem wird eine Karte der mittleren Jahresniederschlagsmengen des Landes (Periode 1921–1950) gegeben. Neben dem obengenannten Maß der Veränderlichkeit werden zwei weitere betrachtet, nämlich die relative Variabilität und der Variationskoeffizient. Zum Vergleich der drei Maßzahlen werden die Korrelationskoeffizienten zwischen dem Mittelwert der Jahresniederschlagsmenge und jeder dieser drei Maßzahlen für das ganze Gebiet gebildet und als annähernd gleich groß gefunden, so daß keines der drei Maße ausgezeichnet wird.

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Résumé L'auteur a recherché la variation des précipitations annuelles de Palestine en se basant sur la variabilité relative interannuelle. Ce calcul a permis d'établir une carte de la dite variation, carte couvrant toute la région. La répartition géographique du taux de la variabilité relative interannuelle s'explique par les conditions climatiques locales variées. On donne en outre une carte des précipitations annuelles moyennes du pays (période 1921 à 1950). A part la mesure de la variation citée plus haut, l'auteur a considéré deux autres mesures: la variabilité relative et le coefficient, de variation. Afin de comparer ces trois mesures, il a calculé le coefficient de corrélation existant entre chacune d'elles et la moyenne des précipitations et cela pour toute la région. Il constate que les trois coefficients de corrélation ainsi obtenus ont à peu près la même valeur, si bien qu'aucune des trois mesures considérées n'est préférable aux deux autres.

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With 2 Figures     

A numerical integration of a two-level quasi-geostrophic model with variable Rossby parameter

Summary Circulation patterns were obtained from a two-level quasi-geostrophic model, in which the Rossby parameter varied with latitude. The initial basic state was characterized by a constant zonal flow at both reference level. The results we re compared with the pattern obtained in a series of experiments with a similar model, in which the Rossby parameter was assumed to be constant. the initial zonal flow in these experiments was assumed in one case to be constant with latitude, in the second casse to have a symmetrical jet centered on the central latitude, and in the thrid case to have its maximum in the southern half of the region. the results of the experiment with a variable Rossby parameter have the closest resemblance to the patterns observed in the real atmospehre. In particular, during the mature stages of the run, the distribution of the zonallyaveraged eddytransport of momentum corresponded quite well to patterns actually observed in the atmosphere.

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Zusammenfassung Aus einem quasi-geostrophischen Modell mit breitenabhängigem rossby-Parameter wurden Zirkulationsformen errechnet. Der Anfangszustand war durc eine konstante zonale Strömung in zwei Niveaus charakteriseirt. Die Resultate wurden mit Zirkulationen verglichen, die in einer Reihe von Experimenten mit einem ähnlichen Modell, in dem aber der Rossby-Parameter konstant angenommen war, erhalten worden waren. In einemk dieser Fälle wurde angenommen, daß die ursprüngliche zonale Strömung breitenunabhängig war, in einem anderen fall wurde angenommen, daß die Strömung in einem symmetrischen Jetstream über eine mittleren Breite konzentriert war, und in einem dritten Fall wurden angenommen, daß die zonale Strömung ihr Maximum in der südlichen Hälfte des Bereiches hatte. Die Resultate des Experiments mit dem veränderlichen Rossby-Parameter haben die meiste Ähnlichkeit mit Zirkulationsformen in der wirklichen Atmosphäre. Insbesondere paßt die Verteilung des zonal gemittelten Momentumtransports in den Reifestadien des Versuchs gut zu den tatsächlich in der Atmosphäre beobachteten Zirkulationsformen.

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Résumé On a calculé les formes de circulation découlant d'un modèle quasigéostrophique dont le paramètres de Rossby dépendaient de la latitude. L'état initial en était caractérisé par un courant zonal constant aux deux niveaux. Lels résultats ont été comparés à ceux d'une série d'essais effectués avec un modèle semblable, mais dans lequel les paramètres de Rossby restaient constants. Dans un de ces cas, on a admis que la circulation zonale initiale ne dépendait pas de la latitude. Dans un deuxième, on a simulé un jet symétriquement à une latitude moyenne. Dans un troisième enfin, on a placè le maximum de la circulation zonale dans la moitié sud de l'espace étudié. Les résultats obtenus en partant des essais basés sur un paramètre de Rossby variable sont les plus semblables aux formes de circulation observées réellement dans l'atmosphère. En particulier, la répartition du transport turbulent de la quantité de mouvement — moyenne zonale calculée au stade de maturité de l'essai — est très voisine des formes de circulation observées réellement dans l'atmosphère.

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With 9 Figures

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The research reported in this document has been sponsored by the Air Force Cambridge Research Laboratories under Grant AF EOAR 63-108 through the European Office of Aerospace Reasearch (OAR), United States Air Force.     

Über charakteristische Meridionalschnitte der Temperatur für High und Low Index-Typen der allgemeinen Zirkulation und über die Temperaturänderungen während ihrer Umwandlungsperioden

Zusammenfassung Die folgende Untersuchung bildet eine Ergänzung zu einer Untersuchung über die Vorgänge, die bei Schwankungen der allgemeinen Zirkulation, im Zusammenhang mit einer Umwandlung von High Index zum Low Index und umgekehrt, in den mittleren und hohen Breiten der Nordhalbkugel vor sich gehen. Zur Illustrierung, wie diese Vorgänge in dem ganzen Atmosphärenraum sich abspielen, wurden bestimmte Perioden ausgewählt, die mit typischen High- oder Low Index-Zuständen beginnen und abschließen. Für die Einzeltage dieser Abschnitte wurden, um die ganze Erde gemittelt, Meridionalschnitte der Temperatur für alle Höhenschichten der Atmosphäre gebildet und deren charakteristische Formen besprochen. Weiterhin wurden die Änderungen der Temperatur zwischen Anfang und Ende der Zeiträume ermittelt und die sich zeigenden wesentlichen Unterschiede beim Übergang vom High- zum Low Index-Typ und umgekehrt diskutiert. Die Temperaturänderungen geben auch Aufschluß über die in der Atmosphäre vor sich gehenden Vertikalbewegungen in den einzelnen Breitenzonen und runden so das Bild des Ablaufs der Zirkulationsschwankungen ab.Erstens zeigten sich ganz charakteristische Unterschiede in den mittleren Meridionalschnitten bei High- und Low Index. Bei High Index findet man, entsprechend dem zonalen Charakter desselben, klare eindeutige Meridionalprofile vor. Bei Low Index sind diese komplizierter, da durch die Mittelbildung längs der Breitenkreise eine Überlagerung der Kältezungen und Wärmerücken stattfindet, wodurch das Mittelprofil nicht ganz repräsentativ ausfällt. Trennt man bei der Mittelung Kältezungen von Wärmerücken, dann ergeben sich für diese Teilgebiete klare eindeutige Profile, die die Bedingungen des Low Index besser zeigen.Der Vergleich dieser Profile (Temperaturänderungsschnitte) zeigt als Hauptergebnis neben anderem, daß bei Übergängen von einem Low Indexzu einem High Index-Typ die Meridionalzirkulationen bei starker Abkühlung der Polarkalotte und Erwärmung der mittleren und niedrigen Breitenzonen der Erde allmählich verschwinden. In der Hauptsache reduziert sich die Zirkulation auf zonale Bewegungsvorgänge. Im Gegensatz dazu entwickeln sich bei einem Übergang von einem High- zu einem Low Index-Typ immer mehr Meridionalzirkulationsäste mit absteigender Luftbewegung innerhalb der Kältevorstöße und aufsteigender Luftbewegung in den westlichen Teilen der warmen Rückengebiete. Im Mittel über die ganze Erde erscheint auf diese Weise eine idealisierte Meridionalzirkulation, die in Wirklichkeit in meridionale Zirkulationen aufgespalten ist. Hierbei erwärmen sich einerseits durch Advektion warmer Luft aus den mittleren Breiten die höhere polare Atmosphäre und in der Folge durch Absinken auch die unteren Schichten derselben. Anderseits zerteilt sich das polare Kältezentrum und verlagert sich in bevorzugte Gegenden der Erde, etwa zwischen dem 65. und 75. Breitenkreis.

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Summary This paper is a supplement to a study on processes occurring with variations of the general circulation, in connection with a transformation of a High Index into a Low Index and vice versa, in medium and high latitudes of the Northern Hemisphere. To illustrate the mechanism of these processes in the whole space of the atmosphere certain periods beginning and ending with typical High Index and Low Index states were chosen. For every day of these periods meridional profiles of temperature averaged around the whole earth were calculated for all levels of the atmosphere and their characteristic forms discussed. Furthermore, the variations of temperature between the beginning and the end of the periods were established and the essential differences of transitions from the High to the Low Index type and vice versa discussed. The temperature variations explain also the vertical movements in the atmosphere of the different zones of latitude thereby completing the scheme of the variations of the circulation.In the first place characteristic differences of the average meridional profiles were found between High and Low Index. With High Index, according to its zonal character, clear and well defined meridional profiles exist. With Low Index they are more complicated as, by averaging along the parallels of latitude, superimposing of cold tongues and warm ridges takes place to the effect that the average profile becomes not quite representative. By seperately averaging cold tongues and warm air ridges well defined profiles result giving a clearer pattern of the Low Index conditions.Comparison of these profiles (of temperature variations) shows as principal result, besides others, that transitions from a Low Index to a High Index type are connected with meridional circulations gradually disappearing, with strong cooling of the polar cap, and warming of the zones in medium and low latitudes. The circulation is then reduced principally to processes of zonal movements. Adversely, with transitions from a High to a Low Index type, more and more branches of meridional circulation develop with descending air within the cold tongues and rising air in the western parts of the warm ridges. Thus, averaged over the whole earth, an idealized meridional circulation appears which, in reality, is split up in different meridional circulations. On the one hand the higher polar atmosphere becomes warmer by advection of warm air from medium latitudes, with subsequent warming also of the lower layers by sinking, on the other hand the polar center of cold air breaks up moving to preferred regions of the earth, generally between the 65th and the 75th parallel.

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Résumé Il s'agit d'un complément d'une étude consacrée aux phénomènes accompagnant les grandes modifications de la circulation atmosphérique générale lors de la transformation d'un type «high index» en un type «low index» et vice versa. Dans le but d'illustrer ces phénomènes, on a choisi certaines périodes débutant et finissant par des états high ou low index typiques. On a établi pour chaque jour des profils méridiens de température tout autour de la Terre pour toutes les couches de l'atmosphère et on a discuté leurs formes caractéristiques; puis on a considéré les variations de température du début à la fin des périodes, ainsi que leur comportement différent au passage d'un type à l'autre. Ces variations de température renseignent également sur les mouvements verticaux dans les différentes zones de latitute et parfont l'image des modifications de la circulation.Il existe d'abord des différences tout à fait caractéristiques des profils méridiens pour les types high index et low index. Dans le premier cas on trouve des profils simples, correspondant à la nature zonale du type; dans le second ils sont plus compliqués par suite de la superposition, par le calcul des moyennes, des langues froides et chaudes le long des parallèles, de sorte que le profil moyen n'est plus absolument représentatif. En séparant les bandes froides et chaudes dans le calcul des moyennes, on obtient alors pour chacune de ces bandes des profils simples reflétant mieux la structure du type low index.La comparaison de ces profils conduit, entre autres, au résultat suivant. En passant du type low index au type high index, les circulations méridiennes disparaissent peu à peu tandis que la calotte polaire se refroidit fortement et que les zones terrestres moyennes et basses se réchauffent; la circulation se réduit essentiellement à des mouvements zonaux. En passant d'un type high index à un type low index, des secteurs à circulation méridienne se développent toujours plus, avec mouvement descendant à l'intérieur des langues froides et ascendant dans la partie occidentale des domaines chauds. En moyenne apparaît de la sorte sur toute la Terre une circulation méridienne d'ensemble se composant en réalité de branches individuelles distinctes. D'une part l'atmosphère polaire supérieure se réchauffe par advection d'air chaud venant des latitudes moyennes, ensuite également dans ses couches basses par subsidence. D'autre part le centre froid polaire se divise et se répartit dans certaines régions privilégiées du globe, à peu près entre les parallèles de 65° et de 75°.

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Mit 8 Textabbildungen.

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Eine zusammenfassende Darstellung der Ergebnisse dieser Untersuchung ist in englischer Sprache in einem Technical report to Office of Naval Research Contract N 6 ori-20 Task Order II Project NR 082 003 May 1953, the University of Chicago, Dept. of Meteorology erschienen.     

Temporal fluctuations in weather disasters: 1950–1989

A unique historical data set describing the 142 storms producing losses in excess of $100 million in the United States during the 1950–89 period were analyzed to describe their temporal characteristics. These weather disasters (WDs) caused $66.2 billion in losses, 76% of the nation's insured losses in this period. Disasters were most prevalent in the south, southeast, northeast, and central U.S., with few in and west of the Rockies. The incidence of WDs was high in the 1950s, low in the 1960s-early 1970s, and peaked in the 1980s. Losses due to WDs peaked in the 1950s, again in the late 1960s, and with a lesser peak after 1985. The areal extent of storm losses peaked after 1975 and was least in the 1960s. The temporal variations of the three storm measures (incidence, losses, and extent) had poor agreement, and agreed only when they peaked in the 1950s. Regionally-derived time distributions of WDs showed marked north-south differences with a U-shaped 40-year distribution in the northern half of the nation, whereas southern regions had a relatively flat trend until achieving a peak in the 1980s. The temporal distributions of hurricane-caused disasters differed regionally, with the distributions in the southern, southeastern, and northeastern U.S. each quite different. Temporal distributions of thunderstorm and winter storm-produced disasters were regionally more uniform. The national 5-year WD frequencies correlated moderately well with annual mean temperatures which explained 40% of the variability found in WDs during 1950–89. Weather disasters peaked in the relatively warm-dry 1950s and again in the warm-wet 1980s, and were least in the cool-wet 1960s and 1970s. The distribution of WDs during 1950–89 appears positively related to the temporal fluctuations in cyclonic activity.     

L'Essor de la radiométérologie mondiale et la prévision du temps

Résumé Les relations entre les parasites atmosphériques (ondes hertziennes naturelles) émis par les orages ou d'autres foyers de perturbations de la troposphère, enregistrés sur de grandes longueurs d'ondes, et la météorologie synoptique (prévision du temps) ont fait l'objet de recherches de 1920 à 1950, principalement par des chercheurs européens, dont un historique est donné. Les organisations internationales intéressées à ces traxaux et leurs principales résolutions sont rappelées. Les méthodes instrumentales courantes font l'objet d'un court aperçu et quelques résultats acquis appliqués à la pratique journalière de la prévision radiométérologique du temps sont sommairement décrits. on indique la technique à suivre pour l'organisation d'un réseau de stations radiométéorologiques, en citant comme exemple celui de la République Argentine, qui devrait répondre à des conditions idéales, puisqu'il s'étend des régions subtropicales aux régions polaires, enregistrant ainsi tous les typs de parasites. Le problèmes des échanges télégraphiques de renseignements par codes et l'expérience européenne en la matière termine l'article.

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Summary Several authors, especially in Europe, have investigated since 1920 the relations existing between sferics and synoptical meteorology. Sferics are natural hertzian waves emitted by thunderstorm-hearths and similar tropospherical sources, observable on long waves. The history of these investigations is shortly summarized; and mention is made of the international organizations concerned with them, as well as of their most important resolutions. The current instrumental methods and some of the results obtained hitherto are briefly exposed, with a view to their application to forecasting practice. The author gives directive rules for the technical organization of radio-meteorological network. He refers to Argentine, offering ideal possibilities of radio-meteorological observation by the extension of its territory from sub-tropical to polar regions, as all types of sferics can be recorded in this country. Finally, he discusses the problem of the transmission of radio-meteorological results by code and the experience gathered in Europe.

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Zusammenfassung In den Jahren 1920 bis 1950 wurden, vorab durch europäische Forscher, die Beziehungen zwischen den atmosphärischen Parasiten und der synoptischen Meteorologie untersucht. Als Parasiten (englisch sferics) bezeichnet man natürliche Hertzsche Wellen, die von Gewitterherden oder andern troposphärischen Störungsquellen ausgehen und auf langen Wellen registriert werden. Die Arbeit enthält einen historischen Überblick über diese Forschungen, sowie Hinweise auf die an radiometerologischen Untersuchungen interessierten internationalen Organisationen und ihre wichtigsten Resolutionen. Nach einer kurzen Übersicht über die gebräuchlichen instrumentellen Beobachtunsmethoden und die bisher erhaltenen Ergebnisse, zeigt der Verfasser, wie man diese Ergebnisse in der praxis der täglichen Wettervorhersage anwenden kann. Er gibt ferner Richtlinien für die technische Organisation radiometeorologischer Beobachtungsnetze; als Beispiel wird Argentinien angeführt, das mit seinem von den Subtropen bis ins Polargebiet reichenden Territorium geradezu ideale Bedingungen für radiometeorologische Messungen erfüllt, indem dort alle Typen von Parasiten registriert werden können. Abschließend wird die Frage der übermittlung radiometeorologischer Meßergebnisse mittels Zahlenschlüssel behandelt, wobei die in Europa gesammelten Erfahrungen mitgeteilt werden.

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Avec 2 figures.

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Dédié à M. le prof. Dr.H. Benndorf à l'occasion de son 80^ème anniversaire.     

Marine proxy evidence linking decadal North Pacific and Atlantic climate

Decadal- to multidecadal variability in the extra-tropical North Pacific is evident in 20th century instrumental records and has significant impacts on Northern Hemisphere climate and marine ecosystems. Several studies have discussed a potential linkage between North Pacific and Atlantic climate on various time scales. On decadal time scales no relationship could be confirmed, potentially due to sparse instrumental observations before 1950. Proxy data are limited and no multi-centennial high-resolution marine geochemical proxy records are available from the subarctic North Pacific. Here we present an annually-resolved record (1818–1967) of Mg/Ca variations from a North Pacific/Bering Sea coralline alga that extends our knowledge in this region beyond available data. It shows for the first time a statistically significant link between decadal fluctuations in sea-level pressure in the North Pacific and North Atlantic. The record is a lagged proxy for decadal-scale variations of the Aleutian Low. It is significantly related to regional sea surface temperature and the North Atlantic Oscillation (NAO) index in late boreal winter on these time scales. Our data show that on decadal time scales a weaker Aleutian Low precedes a negative NAO by several years. This atmospheric link can explain the coherence of decadal North Pacific and Atlantic Multidecadal Variability, as suggested by earlier studies using climate models and limited instrumental data.     

Methods and results of large scale applications of cloud seeding in the Western United States

Summary During the period 1950–1954, North American Weather Consultants, an applied meteorological consulting group, conducted a number of cloud seeding programs in the Western United States. Over 50,000 hours of silver iodide generator operation were recorded, which is probably one of the largest massive applications of cloud seeding on record. Methods and results of these operations are presented.

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Zusammenfassung Während der Jahre 1950–54 haben die North American Weather Consultants, eine Gruppe von Beratern für angewandte Meteorologie, im Westen der Vereinigten Staaten eine Reihe von Cloud seeding-Programmen durchgeführt. Während mehr als 50.000 Stunden wurde die Wirkungsweise von Silberjodid-Generatoren beobachtet, vermutlich eine der umfangreichsten Anwendungen dieser Methode, die je durchgeführt wurden. Methodik und Ergebnisse dieser Arbeiten werden in der vorliegenden Arbeit behandelt.

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Résumé Pendant les années 1950/54, les «North American Weather Consulttants», groupe d'experts de météorologie appliquée, ont exécuté dans l'Ouest des Etats-Unis une série d'essais d'insémination de nuages. On a observé pendant plus de 50.000 heures l'effet de générateurs à l'iodure d'argent; il s'agit probablement d'une des plus vastes applications du procédé. La présente note traite des méthodes employées et des résultats obtenus.

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With 8 Figures.     

Luftelektrische Tagesgänge und Massenaustausch im Hochgebirge der Alpen

Zusammenfassung Die luftelektrischen Untersuchungen auf dem Jungfraujoch im Sommer und Herbst 1950, über die vor einiger Zeit in dieser Zeitschrift berichtet worden war, wurden während einer dritten Meßperiode im Winter fortgesetzt und damit zu einer Jahresreihe ergänzt. Trotz ungünstiger Witterung, die den Umfang der Ergebnisse stark einschränkte, konnten die schon früher gezogenen Schlüsse voll bestätigt werden: Die im Sommer starke, im Herbst noch schwach vorhandene systematische Leitfähigkeitsvariation in dieser Alpenhöhe ist im Winter ganz verschwunden; Potentialgefälle und Vertikalstrom verlaufen in ihrem Tagesgang parallel zueinander; im Winter stellt sich somit in der Höhe des Alpenkammes, der jetzt von der Tagesvariation des Massenaustausches offenbar nicht mehr erreicht wird, der ozeanische Typ des luftelektrischen Verhaltens ein.Im Herbst 1950 wurden an einigen Tagen gleichzeitige Registrierungen des Potentialgefälles und des Vertikalstromes auf dem Jungfraujoch und dem 400 km entfernten Sonnblick durchgeführt. Die beiden Elemente zeigen sowohl im mittleren Tagesgang wie auch im einzelnen gute Übereinstimmung. Daraus ist zu entnehmen, daß die auf dem Jungfraujoch gewonnenen Ergebnisse, soweit sie nicht lokal gestört sind, repräsentative Bedeutung für die Kammhöhe der Alpen haben.Eine Studie über Feld und Strom während Niederschlages auf dem Jungfraujoch zeigt, daß trockener Schnee, d. h. Schnee als reines Sublimationsprodukt, stets positiv geladen ist und ein positives Feld (Feld normaler Richtung) erzeugt. Dagegen zeigen feste Niederschlagsteilchen, deren Zustandekommen über den Vergraupelungsprozeß geführt hat (nasser Schnee, Grieseln, Reif- und Frostgraupeln) im allgemeinen negative elektrische Ladung und negative Felder (Feldrichtungsumkehr). Besonders bemerkenswert ist dabei, daß im Sommer in der Regel das Auftreten von Graupeln und Schnee bzw. von Regen und Schnee hintereinander als Zeichen eines sich bildenden Gewitters gewertet werden kann.

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Summary The investigations on atmospheric electricity of summer and autumn 1950 on the Jungfraujoch have been continued with a third recordingperiod in the winter. By these investigations the former results which are already reported in this review are completed to a full-year-research. In spite of bad weather, which strongly limited the extent of the results, the conclusions drawn from earlier investigations could be entirely verified. In this Alpine altitude the systematic variation of the conductivity, that has been found high in summer and scarcely remarkable in autumn, has completely disappeared in winter. The daily variations of the potential gradient and the air-earth-current are essentially parallel; it accounts for that in winter at the ridge of the Alps the oceanic type of atmospheric electricity is predominant. Obviously, the daily variations of the mass exchange do not reach these high levels in the winter months.In autumn 1950 simultaneous records of the potential gradient and the air-earth-current at Jungfraujoch and at Sonnblick, 400 km distant, have been made during some days. The two elements are in good agreement both with regard to the mean daily variations as to particulars. Hence it follows that the results received at Jungfraujoch are representative for the summit of the Alps except for cases with local disturbances.Furthermore an investigation has been carried out at Jungfraujoch on the electric field and the current during precipitation. It resulted that dry snow, i. e. snow originating by sublimation only, always carries a positive charge and generates an electric field of positive direction. On the contrary, the solid precipitation particles which are formed by graupel formation (wet snow, soft hail, granular snow) carry generally a negative charge and generate an electric field of negative direction. In summer the occurence of snow after soft hail or rain can be taken as a remarkable symptom for developing a thunderstorm.

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Résumé Les recherches d'électricité atmosphérique effectuées au Jungfraujoch pendant l'été et l'automne 1950 et dont il a été question précédemment dans cette revue ont été complétées par une série hivernale. Malgré un temps défavorable qui a limité les recherches, les résultats précédents ont pu être confirmés. La variation systématique de la conductibilité observée à haute altitude, forte en été et encore faiblement présente en automne, disparaît complètement en hiver. Le gradient de potentiel et le courant vertical présentent des marches diurnes parallèles, c'est-à-dire qu'en hiver, à l'altitude du faîte alpin qui n'est apparemment plus affecté par la variation diurne de l'échange de masse, s'établit le type océanique de l'état électrique de l'atmosphère.En automne 1950 les enregistrements du gradient de potentiel et du courant vertical furent exécultés pendant quelques jours simultanément au Jungfraujoch et au Sonnblick, distant de 400 km. du premier; il y a bon accord entre les mesures des deux éléments, tant pour la variation diurne moyenne que pour les cas isolés. Il s'ensuit que les résultats obtenus au Jungfraujoch, pour autant qu'ils ne sont pas troublés localement, sont représentatifs de la crête des Alpes.Une étude du champ et du courant au Jungfraujoch pendant des précipitations montre que la neige sèche, c'est à dire comme produit pur de sublimation, est toujours chargée positivement et engendre un champ positif (direction normale). Par contre les particules solides issues du grésil (neige mouillée, neige en grains, grésil) sont en général négativement chargées, dans des champs négatifs (direction inversée). Il est en particulier remarquable qu'en été la neige succédant au grésil ou à la pluie soit dans la règle le signe d'un orage en formation.

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Mit 4 Textabbildungen.     

Climate Variability and Change: Past, Present and Future – An Overview

Prior to the 20th century Northern Hemisphere average surface air temperatures have varied in the order of 0.5 ^°C back to AD 1000. Various climate reconstructions indicate that slow cooling took place until the beginning of the 20th century. Subsequently, global-average surface air temperature increased by about 0.6 °C with the 1990s being the warmest decade on record. The pattern of warming has been greatest over mid-latitude northern continents in the latter part of the century. At the same time the frequency of air frosts has decreased over many land areas, and there has been a drying in the tropics and sub-tropics. The late 20th century changes have been attributed to global warming because of increases in atmospheric greenhouse gas concentrations due to human activities. Underneath these trends is that of decadal scale variability in the Pacific basin at least induced by the Interdecadal Pacific Oscillation (IPO), which causes decadal changes in climate averages. On interannnual timescales El Niño/Southern Oscillation (ENSO) causes much variability throughout many tropical and subtropical regions and some mid-latitude areas. The North Atlantic Oscillation (NAO) provides climate perturbations over Europe and northern Africa. During the course of the 21st century global-average surface temperatures are very likely to increase by 2 to 4.5 ^°C as greenhouse gas concentrations in the atmosphere increase. At the same time there will be changes in precipitation, and climate extremes such as hot days, heavy rainfall and drought are expected to increase in many areas. The combination of global warming, superimposed on decadal climate variability (IPO) and interannual fluctuations (ENSO, NAO) are expected lead to a century of increasing climate variability and change that will be unprecedented in the history of human settlement. Although the changes of the past and present have stressed food and fibre production at times, the 21st century changes will be extremely challenging to agriculture and forestry.     

Climatology and interannual variability simulated by the ARPEGE-OPA coupled model

A 10-year simulation with a coupled ocean-atmosphere general circulation model (CGCM) is presented. The model consists of the climate version of the Météo-France global forecasting model, ARPEGE, coupled to the LODYC oceanic model, OPA, by the CERFACS coupling package OASIS. The oceanic component is dynamically active over the tropical Pacific, while climatological time-dependent sea surface temperatures (SSTs) are prescribed outside of the Pacific domain. The coupled model shows little drift and exhibits a very regular seasonal cycle. The climatological mean state and seasonal cycle are well simulated by the coupled model. In particular, the oceanic surface current pattern is accurately depicted and the location and intensity of the Equatorial Undercurrent (EUC) are in good agreement with available data. The seasonal cycle of equatorial SSTs captures quite realistically the annual harmonic. Some deficiencies remain including a weak zonal equatorial SST gradient, underestimated wind stress over the Pacific equatorial band and an additional inter-tropical convergence zone (ITCZ) south of the equator in northern winter and spring. Weak interannual variability is present in the equatorial SST signal with a maximum amplitude of 0.5°C.     

Response of Northern Hemisphere storm tracks to Indian-western Pacific Ocean warming in atmospheric general circulation models

With 40 years integration output of two atmospheric general circulation models (GAMIL/IAP and HadAM3/UKMO) forced with identical prescribed seasonally-varying sea surface temperature, this study examines the effect of the observed Indian-western Pacific Ocean (IWP) warming on the Northern Hemisphere storm tracks. Both models indicate that the observed IWP warming tends to cause both the North Pacific storm track (NPST) and the North Atlantic storm track (NAST) to move northward. Such a consistent effect on the two storm tracks is closely associated with the changes in the low-level atmospheric baroclinicity, high-level jet stream and upper-level geopotential height. The IWP warming can excite a wavelike circum-global teleconnection in the geopotential height that gives rise to an anticyclonic anomaly over the midlatitude North Pacific and a positive-phase NAO anomaly over the North Atlantic. These geopotential height anomalies tend to enhance upper-level zonal westerly winds north of the climatological jet axes and increase low-level baroclinicity and eddy growth rates, thus favoring transient eddy more active north of the climatological storm track axes, responsible for the northward shift of the both storm tracks. The IWP warming-induced northward shift of the NAST is quite similar to the observed, suggesting that the IWP warming can be one of the key factors to cause decadal northward shift of the NAST since the 1980s. However, the IWP warming-induced northward shift of the NPST is completely opposite to the observed, implying that the observed southward shift of the NPST since the 1980s would be primarily attributed to other reasons, although the IWP warming can have a cancelling effect against those reasons.     

The hemispheric eddy flux of water vapor and its implications for the mechanics of the general circulation

Summary A study of the vertically integrated eddy flux of water, vapor in the northern hemisphere for summer, winter and the entire year of 1950 is presented. Tables and graphs of zonally averaged numerical values extracted from maps of the analyses of the zonal eddy and meridional eddy components for the hemisphere are reproduced and discussed in the light of various meteorological considerations. It is found that the southward transport of water vapor by theHadley type meridional circulation in the tropics does not imply a comparable importance of this cell for hemispheric momentum and zonal kinetic energy considerations as is assumed in classical general circulation theories.

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Zusammenfassung Es wird eine Untersuchung über die vertikale, integrierte Störungsbewegung von Wasserdampf in der nördlichen Halbkugel für den Sommer, für den Winter und für das ganze Jahr 1950 vorgelegt. Tabellen und graphische Darstellungen zonaler Durchschnittszahlenwerte, die aus analysierten Karten abgeleitet wurden, werden im Hinblick auf verschiedene meteorologische Beziehungen diskutiert. Es wurde festgestellt, daß der nach Süden gerichtete Transport von Wassrdampf durch eine meridionale Zirkulation in derHadleyschen Art in den Tropen dieser Zelle keine besondere Bedeutung für die Betrachtungen der hemisphärischen Bewegung und der zonalen kinetischen Energie verschafft, wie im allgemeinen in der klassischen Zirkulationstheorie angenommen wird.

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Résumé On présente une étude du transport perturbé de la vapeur d'eau intégré verticalement dans l'hémisphère nord pour l'été, l'hiver et l'année 1950 entière. Les tableaux et diagrammes des valeurs numériques, moyennes zonales, extraits des cartes d'analyses des transports zonal et méridional perturbés pour l'hémisphère, sont reproduits et discutés à la lumière des diverses considérations météorologiques. On a trouvé que le transport de la vapeur d'eau effectué par la circulation méridionale du typeHadley dans les régions tropicales n'implique pas une importance comparable à celle de la même cellule quand on considère la quantité du mouvement et de l'énergie cinétique zonale comme il est assumé dans les théories classiques de la circulation générale.

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With 8 Figures

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The research reported in this paper has been made possible through the support of the U.S. Air Force Cambridge Research Laboratories under contract AF 19 (628)-2408.     

Statistische Untersuchungen über die Hagelhäufigkeit in der Schweiz und ihre Beziehungen zur Großwetterlage

Zusammenfassung Eine Untersuchung der langjährigen Beobachtungsreihen (1901 bis 1950) der Hagelfrequenz (Anzahl Hageltage) der Stationen des schweizerischen meteorologischen Netzes auf ihre Homogenität und Zuverlässigkeit mit Hilfe des Streuungsmaßes der Dezenniensummen ergibt eine nur beschränkte Brauchbarkeit des Materials. Anschließend wird das von der schweizerischen Meteorologischen Zentralanstalt mit Hilfe von Angaben der Hagelversicherungsgesellschaft zusammengestellte Material (1921 bis 1950) in bezug auf die Häufigkeit der Hageltage und die Anzahl der von Hagel betroffenen Gemeinden für die ganze Schweiz und nach einzelnen Landesteilen im allgemeinen und in Hinsicht auf den Jahresgang untersucht. Aus einer eingehenden Untersuchung der Abhängigkeit der Hagelhäufigkeit von der Großwetterlage werden an Beispielen die verschiedenen Auswirkungen auf die ganze Schweiz sowie auf die einzelnen Landesteile gezeigt, wobei diese Auswirkungen auch gesondert nach der flächenmäßigen Ausdehnung der Hagelfälle untersucht werden.Die folgenden Großwetterlagen begünstigen Hagelfälle in der Schweiz: Zyklonale Lage mit Hochdruck im Norden (Bezeichnung nachHess undBrezowsky:HN _z), Tiefdruck über Mitteleuropa (TM), Troglage über West-europa (TrW), Tiefdruck über den Britischen Inseln (TB) und Troglage über Mitteleuropa (TrM). Zum Abschluß wird das Verhalten des Luftdruckes, der Luftdruckänderungen und der Taupunkttemperatur an Hageltagen und deren Vortagen für die 25 stärksten Hagelfälle untersucht.

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Summary The series of observations of 1901 to 1950 of frequency of hail (number of days with hail) at the stations of the Swiss meteorological network are examined, by means of the ratio of dispersion of the sums of decades, as to homogeneity and reliability, and it is found that they have only a limited value. The material of 1921 to 1950 assembled by the Swiss Central Meteorological Station, together with statements of the insurance company for hail is investigated as to the frequency of days with hailstorm and of the number of hailstruck municipalities in the different regions of Switzerland and with regard to the annual variation. A thorough investigation of the dependency of the frequency of hailstorm from large scale weather situations leads to results which show the effects for Switzerland as a whole and for individual regions; these effects are also examined as to the square dimensions of hailstorms extension.The following large scale weather situations are favouring hailstorms in Switzerland: cyclonic situation with high pressure area in the North (abbreviation byHess andBrezowsky:HN _z), depression above Central Europe (TM), trough area above Western Europe (TrW), depression above the British Isles (TB), and trough area above Central Europe (TrM). Finally the conditions of atmospheric pressure and its variations, and of the dew point temperature at the days with and the days before hailstorm are studied for the 25 heaviest hailstorms.

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Résumé L'auteur a étudié les séries d'observations de la fréquence de la grêle (nombre des jours de grêle) des stations du réseau météorologique suisse de 1901 à 1950. L'examen de leur homogénéité et de leur comparabilité, fait à l'aide de l'indice de dispersion des sommes décennales, donne des résultats de valeur restreinte. L'auteur étudie ensuite les données rassemblées dans les annales de la Station Centrale Suisse de Météorologie de concert avec la société d'assurance contre la grêle qui concernent la fréquence des jours de grêle et le nombre des communes touchées dans toute la Suisse dans la période de 1921–50. Ces résultats sont examinés pour les différentes régions du pays ainsi que par rapport à la variation annuelle. En partant d'un examen approfondi de la dépendance de la fréquence de la grêle de la situation météorologique générale, l'auteur montre quels effets en résultent pour toute la Suisse et pour les différentes régions de celle-ci, et il examine ces effets en particulier quant à l'étendue topographique des chutes de grêle.Les situations météorologiques générales suivantes favorisent les chutes de grêle en Suisse: situation cyclonale avec haute pression au nord (désignation d'aprèsHess etBrezowsky:HN _z), basse pression au-dessus de l'Europe centrale (TM), situation de couloir au-dessus de l'Europe occidentale (TrW), basse pression sur les Iles Britanniques (TB), ainsi que situation de couloir au-dessus de l'Europe centrale (TrM). Pour finir, l'auteur examine les conditions de la pression barométrique et de ses variations ainsi que de la température du point de rosée pour les jours de grêle et pour les jours précédant ceux-ci, cela pour les 25 chutes de grêle les plus intenses.

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Mit 6 Textabbildungen.

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Im Auftrage der Eidgenössischen Kommission zum Studium der Hagelbildung und der Hagelabwehr.     

A world without Greenland: impacts on the Northern Hemisphere winter circulation in low- and high-resolution models

To investigate the effect of Greenlands orography on the northern hemisphere winter circulation experiments with an atmospheric GCM are conducted: a perturbed integration where standard orography is reduced to sea level in the Greenland area is compared to a standard orography control integration. The outcome of these experiments suggests that the existence of high mountains at Greenland causes a reinforcement of the stationary wave field in the Atlantic sector, colder temperatures to the west of Greenland and warmer temperatures to the east and south, over the North Atlantic. The impact on the flow field cannot be understood in the framework of standing Rossby waves, but it indicates a resonance between remotely forced stationary waves and local (thermo-) dynamics. The pattern of the North Atlantic Oscillation (NAO), in particular the northern centre, lies further to the east in the flat-Greenland experiment compared to the control run and the observations. Together with the fact that the climatological low-pressure system around Iceland hardly shifts, this suggests that the location of the NAO is not necessarily tied to the time mean pressure distributions. Considering the model resolution as a parameter, experiments with a high resolution (T106) suggest that the near-field changes are represented sufficiently by a T42 resolution, a standard resolution used in state-of-the-art coupled climate models. In contrast, far-field changes depend critically on model resolution. Hemispheric circulation and temperature changes differ substantially from low to high resolution, and generalized statements about the impact of Greenlands orography cannot be made.     

宁夏河东沙地近百年来气候背景变化分析

利用贺兰山树木年轮指数与河东沙地盐池代表站的年降水量及气温距平建立相关关系,对河东沙地近百年的降水量及气温距平序列进行拟合延长,分析河东沙地近百年来气候变化大趋势。同时利用河东沙地范围内6个代表性站气象资料,对近50年来河东沙地气候变化特征作较详细的分析。结果表明:河东沙地在30年代之前为干冷期;30年代以后逐渐向暖湿方向发展,一直持续到50年代中期;50年代中期以后是一个典型的寒冷湿润时期;60年代以后是一个相对干冷时期;80年代中期至今是近百年里的一个相对干暖时期。另外,在河东沙地不同时间、不同方位上气温、降水量、蒸发量、空气相对湿度及平均风速均存在着较大差异。     

The relative performance of various cup anemometers in a gusty wind

Summary Wind data collected during the Great Plains Turbulence Field Experiment of 1953 are used to study the relative performances of various types of cup anemometers subjected to air flow of known gustiness. Scatter diagrams which relate differences in the indicated mean speeds of two anemometers to gustiness are prepared. Although the instruments compared represent a wide range of moments of inertia, no relationship between gustiness and anemometer performance is noted. This result is examined in light of Schrenk's parameter which describes anemometer performance.

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Zusammenfassung Windbeobachtungen, welche während des Great Plains Turbulence Field Program im Jahre 1953 gewonnen wurden, werden zu einem Vergleich verschiedener Typen von Schalenkreuzanemometern in einem Windfeld von bekannter Böigkeit verwendet. Die Ergebnisse werden in Form von Streubildern veranschaulicht, in denen die Geschwindigkeits-unterschiede von verschiedenen Anemometern als Funktion des Böigkeitsgrades aufgetragen sind. Obgleich die verglichenen Anemometer erheblich verschiedene Trägheitsmomente besitzen, ergibt sich keine Abhängigkeit der Anzeigedifferenzen von der Böigkeit des Windes. Dieser Befund wird mit Hilfe des Schrenkschen Parameters näher beleuchtet.

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Résumé Les observations anémométriques effectuées dans le cadre du Great Plains Turbulence Field Program en 1953 sont utilisées ici dans le but de comparer différents types d'anémomètres à cupules placés dans un champ de mouvement de turbulence connue. Les résultats sont donnés sous forme d'essaims de points dans un système de référence: écarts individuels de l'indication et degré de turbulence. Bien que les instruments comparés présentent des moments d'inertie notablement différents, les écarts observés ne dépendent pas de la turbulence du vent. Ce résultat est encore examiné à l'aide du paramètre de Schrenk.

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With 4 Figures     

Interannual variations and future change of wintertime extratropical cyclone activity over North America in CCSM3

Climatology and interannual variations of wintertime extratropical cyclone frequency in CCSM3 twentieth century simulation are compared with the NCEP/NCAR reanalysis during 1950–1999. CCSM3 can simulate the storm tracks reasonably well, although the model produces slightly less cyclones at the beginning of the Pacific and Atlantic storm tracks and weaker poleward deflection over the Pacific. As in the reanalysis, frequency of cyclones stronger than 980 hPa shows significant correlation with the Pacific/North America (PNA) teleconnection pattern over the Pacific region and with the North Atlantic Oscillation (NAO) in the Atlantic sector. Composite maps are constructed for opposite phases of El Nino-Southern Oscillation (ENSO) and the NAO and all anomalous patterns coincide with observed. One CCSM3 twenty-first century A1B scenario realization indicates there is significant increase in the extratropical cyclone frequency on the US west coast and decrease in Alaska. Meanwhile, cyclone frequency increases from the Great Lakes region to Quebec and decreases over the US east coast, suggesting a possible northward shift of the Atlantic storm tracks under the warmer climate. The cyclone frequency anomalies are closely linked to changes in seasonal mean states of the upper-troposphere zonal wind and baroclinicity in the lower troposphere. Due to lack of 6-hourly outputs, we cannot apply the cyclone-tracking algorithm to the other eight CCSM3 realizations. Based on the linkage between the mean state change and the cyclone frequency anomalies, it is likely a common feature among the other ensemble members that cyclone activity is reduced on the East Coast and in Alaska as a result of global warming.