Interaksi antara Gelombang Kelvin dan Quasi-Biennial Oscillation: Analisis Fluks Momentum

Abstract

Studi ini menyelidiki interaksi antara gelombang Kelvin dan Quasi-Biennial Oscillation (QBO) melalui pendekatan fluks momentum eddy di wilayah ekuator (10°LU–10°LS) menggunakan data reanalisis ERA5 dari Januari 1994 hingga Desember 2023. Gelombang Kelvin diisolasi menggunakan metode wavenumber frequency filtering berbasis transformasi Fourier dua dimensi dengan kriteria bilangan gelombang zonal k = 1–14, periode 2,5–17 hari, dan kedalaman ekuivalen 8–90 meter. Indeks QBO diperoleh dari anomali angin zonal rata-rata zonal pada ketinggian 50 hPa. Hasil menunjukkan bahwa aktivitas gelombang Kelvin lebih kuat selama fase QBO timuran dibandingkan fase QBO baratan, yang ditunjukkan oleh ragam anomali angin zonal yang lebih besar dan distribusi energi yang lebih luas. Secara vertikal, energi gelombang terekam lebih besar pada lapisan 100 hPa yang bertindak sebagai zona penyangga (buffer zone) di dekat sumber konveksi. Kecepatan fase gelombang Kelvin pada 50 hPa lebih rendah selama fase timuran QBO (~20,9 m/s) dibandingkan fase baratan (~24,6 m/s) sebagai manifestasi langsung dari mekanisme penyerapan level kritis (critical level absorption) dan pergeseran Doppler oleh angin dasar. Analisis lag-correlation mengungkapkan bahwa konvergensi fluks momentum gelombang pada arah vertikal () menunjukkan korelasi yang kuat dan signifikan secara statistik dengan evolusi angin dasar (???¯/?t), sedangkan konvergensinya pada arah meridional () menunjukkan korelasi yang lebih lemah. Hal ini mengonfirmasi secara empiris bahwa transfer momentum pada arah vertikal merupakan forcing yang paling utama antara gelombang Kelvin dan QBO. Nilai korelasi yang kuat antara () dan fluks momentum vertikal pada lag di sekitar nol hingga lag negatif menunjukkan bahwa modulasi propagasi gelombang dan evolusi aliran rata-rata berinteraksi satu sama lain seperti halnya sebuah sistem berkopel. Interaksi ini merepresentasikan interaksi timbal balik, di mana perubahan angin bertindak sebagai filter yang menyerap gelombang, sementara penyerapan momentum gelombang Kelvin memberikan forcing langsung untuk mempertahankan dan mempercepat siklus QBO.

This study investigates the interaction between Kelvin waves and the Quasi Biennial Oscillation (QBO) through an eddy momentum flux approach over the equatorial region (10°N–10°S) using ERA5 reanalysis data from January 1994 to December 2023. Kelvin waves were isolated using a two-dimensional Fourier transform–based wavenumber–frequency filtering method with zonal wavenumbers of k = 1–14, periods of 2.5–17 days, and equivalent depths of 8–90 m. The QBO index was derived from the zonal mean zonal wind anomaly at the 50 hPa level. The results show that Kelvin wave activity is stronger during the easterly phase of the QBO than during the westerly phase, as indicated by larger zonal wind anomaly variance and a broader distribution of wave energy. Vertically, the largest wave energy is observed at 100 hPa, which acts as a buffer zone near the primary convective source region. The phase speed of Kelvin waves at 50 hPa is lower during the easterly QBO phase (~20.9 m/s) than during the westerly phase (~24.6 m/s), reflecting the combined effects of critical level absorption and Doppler shifting by the background wind. Lag-correlation analysis reveals that the vertical eddy momentum flux convergence, (), exhibits a strong and statistically significant correlation with the evolution of the mean zonal wind, (), whereas the meridional eddy momentum flux convergence, (), shows a considerably weaker relationship. These findings provide empirical evidence that vertical momentum transfer is the dominant forcing mechanism governing the interaction between Kelvin waves and the QBO. The strong correlation between () and the vertical momentum flux convergence at near-zero and negative lags indicates that wave propagation and mean-flow evolution behave as a coupled system. This interaction represents a two-way feedback process in which the background wind modulates wave propagation through selective filtering and critical level absorption, while the deposition of Kelvin wave momentum provides the primary forcing that sustains and accelerates the QBO cycle.