218 research outputs found
The linkage between Arctic sea ice changes and mid-latitude atmospheric circulation in reanalysis data and model simulations— The role of barotropic-baroclinic interactions
No full textbserved global warming trends have their maximum in Arctic regions, a phenomenon referred to as Arctic Amplification. Consequently, Arctic sea ice shows a strong decreasing trend. These changes imprint modifications on atmospheric flow patterns not only in Arctic regions themselves. Changes of teleconnections and planetary scale motions like Rossby wave trains affect mid-latitude climate as well.
In extension to the studies by Jaiser et al. (abstract submitted) here we study the impact of sea-ice changes on changes in atmospheric synoptic and planetary waves. Therefore, we analyse the atmospheric kinetic energy spectra for ERA-Interim reanalysis and the properly designed Atmospheric General Circulation Model (AGCM) experiments with prescribed sea-ice changes (cf. abstract by Jaiser et al.). Special emphasis has been put on the the role of barotropic-baroclinic interactions and corresponding changes in the tropospheric planetary wave trains by examining the nonlinear kinetic energy and enstrophy interaction and subsequent redistribution of kinetic energy and enstrophy
Dreidimensionale Diagnostik der großskaligen Zirkulation der Tropo- und Stratosphäre
No full textIn dieser Arbeit werden Konzepte für die Diagnostik der großskaligen Zirkulation in der Troposphäre und Stratosphäre entwickelt. Der Fokus liegt dabei auf dem Energiehaushalt, auf der Wellenausbreitung und auf der Interaktion der atmosphärischen Wellen mit dem Grundstrom. Die Konzepte werden hergeleitet, wobei eine neue Form des lokalen Eliassen-Palm-Flusses unter Einbeziehung der Feuchte eingeführt wird. Angewendet wird die Diagnostik dann auf den Reanalysedatensatz ERA-Interim und einen durch beobachtete Meerestemperatur- und Eisdaten angetriebenen Lauf des ECHAM6 Atmosphärenmodells.
Die diagnostischen Werkzeuge zur Analyse der großskaligen Zirkulation sind einerseits nützlich, um das Verständnis der Dynamik des Klimasystems weiter zu fördern. Andererseits kann das gewonnene Verständnis des Zusammenhangs von Energiequellen und -senken sowie deren Verknüpfung mit synoptischen und planetaren Wellensystemen und dem resultierenden Antrieb des Grundstroms auch verwendet werden, um Klimamodelle auf die korrekte Wiedergabe dieser Beobachtungen zu prüfen. Hier zeigt sich, dass die Abweichungen im untersuchten ECHAM6-Modelllauf bezüglich des Energiehaushalts klein sind, jedoch teils starke Abweichungen bezüglich der Ausbreitung von atmosphärischen Wellen existieren. Planetare Wellen zeigen allgemein zu große Intensitäten in den Eliassen-Palm-Flüssen, während innerhalb der Strahlströme der oberen Troposphäre der Antrieb des Grundstroms durch synoptische Wellen verfälscht ist, da deren vertikale Ausbreitung gegenüber den Beobachtungen verschoben ist.
Untersucht wird auch der Einfluss von arktischen Meereisänderungen ausgehend vom Bedeckungsminimum im August/September bis in den Winter. Es werden starke positive Temperaturanomalien festgestellt, welche an der Oberfläche am größten sind. Diese führen vor allem im Herbst zur Intensivierung von synoptischen Systemen in den arktischen Breiten, da die Stabilität der troposphärischen Schichtung verringert ist. Im darauffolgenden Winter stellen sich barotrope bis in die Stratosphäre reichende Änderungen der großskaligen Zirkulation ein, welche auf Meereisänderungen zurückzuführen sind. Der meridionale Druckgradient sinkt und führt so zu einem Muster ähnlich einer negativen Phase der arktischen Oszillation in der Troposphäre und einem geschwächten Polarwirbel in der Stratosphäre.
Diese Zusammenhänge werden ebenfalls in einem ECHAM6-Modelllauf untersucht, wobei vor allem der Erwärmungstrend in der Arktis zu gering ist. Die großskaligen Veränderungen im Winter können zum Teil auch im Modelllauf festgestellt werden, jedoch zeigen sich insbesondere in der Stratosphäre Abweichungen für die Periode mit der geringsten Eisausdehnung. Die vertikale Ausbreitung planetarer Wellen von der Troposphäre in die Stratosphäre ist in ECHAM6 mit sehr großen Abweichungen wiedergegeben. Somit stellt die Wellenausbreitung insgesamt den größten in dieser Arbeit festgestellten Mangel in ECHAM6 dar
Linkages between Arctic and mid-latitudes: pathways and mechanisms in troposphere and stratosphere
No full textTethered balloon-borne measurements of turbulence during the MOSAiC expedition from December 2019 to May 2020
No full textThis dataset is a Level 2 dataset of tethered balloon-borne turbulence observations during the MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate) expedition. A tethered balloon system was launched from an ice floe near RV Polarstern and operated with a hot-wire anemometer package, providing turbulence measurements on 34 days between December 2019 and May 2020 (during polar night and spring). The dataset includes 47 sampling records of vertical profiles of turbulence measurements from the surface to a height of several hundred meters (between about 200 m and 1400 m) and measurements at a constant height. In addition to the hot-wire anemometer package, a tethersonde was operated and used as a reference. For processing and calibration details see Akansu et al. (2023)
Diagnostik großskaliger atmosphärischer Prozesse auf der Basis von Reanalyse- und Modelldaten
No full textThree-dimensional diagnostics of the large-scale circulation in the troposphere and stratosphere
No full textIn dieser Arbeit werden Konzepte für die Diagnostik der großskaligen Zirkulation in der Troposphäre und Stratosphäre entwickelt. Der Fokus liegt dabei auf dem Energiehaushalt, auf der Wellenausbreitung und auf der Interaktion der atmosphärischen Wellen mit dem Grundstrom. Die Konzepte werden hergeleitet, wobei eine neue Form des lokalen Eliassen-Palm-Flusses unter Einbeziehung der Feuchte eingeführt wird. Angewendet wird die Diagnostik dann auf den Reanalysedatensatz ERA-Interim und einen durch beobachtete Meerestemperatur- und Eisdaten angetriebenen Lauf des ECHAM6 Atmosphärenmodells. Die diagnostischen Werkzeuge zur Analyse der großskaligen Zirkulation sind einerseits nützlich, um das Verständnis der Dynamik des Klimasystems weiter zu fördern. Andererseits kann das gewonnene Verständnis des Zusammenhangs von Energiequellen und -senken sowie deren Verknüpfung mit synoptischen und planetaren Wellensystemen und dem resultierenden Antrieb des Grundstroms auch verwendet werden, um Klimamodelle auf die korrekte Wiedergabe dieser Beobachtungen zu prüfen. Hier zeigt sich, dass die Abweichungen im untersuchten ECHAM6-Modelllauf bezüglich des Energiehaushalts klein sind, jedoch teils starke Abweichungen bezüglich der Ausbreitung von atmosphärischen Wellen existieren. Planetare Wellen zeigen allgemein zu große Intensitäten in den Eliassen-Palm-Flüssen, während innerhalb der Strahlströme der oberen Troposphäre der Antrieb des Grundstroms durch synoptische Wellen verfälscht ist, da deren vertikale Ausbreitung gegenüber den Beobachtungen verschoben ist. Untersucht wird auch der Einfluss von arktischen Meereisänderungen ausgehend vom Bedeckungsminimum im August/September bis in den Winter. Es werden starke positive Temperaturanomalien festgestellt, welche an der Oberfläche am größten sind. Diese führen vor allem im Herbst zur Intensivierung von synoptischen Systemen in den arktischen Breiten, da die Stabilität der troposphärischen Schichtung verringert ist. Im darauffolgenden Winter stellen sich barotrope bis in die Stratosphäre reichende Änderungen der großskaligen Zirkulation ein, welche auf Meereisänderungen zurückzuführen sind. Der meridionale Druckgradient sinkt und führt so zu einem Muster ähnlich einer negativen Phase der arktischen Oszillation in der Troposphäre und einem geschwächten Polarwirbel in der Stratosphäre. Diese Zusammenhänge werden ebenfalls in einem ECHAM6-Modelllauf untersucht, wobei vor allem der Erwärmungstrend in der Arktis zu gering ist. Die großskaligen Veränderungen im Winter können zum Teil auch im Modelllauf festgestellt werden, jedoch zeigen sich insbesondere in der Stratosphäre Abweichungen für die Periode mit der geringsten Eisausdehnung. Die vertikale Ausbreitung planetarer Wellen von der Troposphäre in die Stratosphäre ist in ECHAM6 mit sehr großen Abweichungen wiedergegeben. Somit stellt die Wellenausbreitung insgesamt den größten in dieser Arbeit festgestellten Mangel in ECHAM6 dar.In this study concepts for the diagnostics of the large-scale circulation in the troposphere and the stratosphere are developed. Therefore the energy budget, wave propagation and the interaction between waves and the mean flow are analyzed. A corresponding set of diagnostic methods is derived. Furthermore a new type of localized Eliassen Palm Fluxes including moisture fluxes is introduced. These diagnostic methods are then applied to the ERA-Interim reanalysis and to a run of the ECHAM6 atmospheric model forced with observed sea surface temperatures and sea ice data. The diagnostics of the large scale circulation are useful to enhance the understanding of the climate system dynamics. Furthermore the knowledge of the relation between energy sources and sinks, atmospheric waves on planetary and synoptic scales and their forcing of the mean flow is applicable to validate global climate models. The results presented here show small deviations in terms of the energy balance in ECHAM6 but large discrepancies in terms of wave propagation. On the one hand Eliassen Palm fluxes connected to planetary waves are generally too strong. On the other hand the mean flow forcing within upper tropospheric jet streams by synoptic scale waves does not agree with observations, since the vertical propagation is shifted. A second part of this study analyses the influence of Arctic sea ice anomalies at the sea ice minimum in August/September on atmospheric conditions. Strong positive temperature anomalies with their maximum at the surface are observed. In autumn they lead to intensified synoptic scale systems, because of a reduced atmospheric vertical stability. A large-scale barotropic circulation pattern up to the stratosphere appears in winter related to previous late summer sea ice changes. A reduced meridional pressure gradient leads to a pattern related to a negative phase of the Arctic Oscillation in the troposp here as well as related to a weaker stratospheric polar vortex. The same analysis performed with an ECHAM6 model run shows a too small warming of Arctic latitudes. While tropospheric changes in the Arctic are covered by the model to some degree, the stratosphere shows large discrepancies in reproducing the observed changes in the low ice period. The vertical propagation of planetary waves from the troposphere into the stratosphere is reproduced with large differences. Accordingly this study shows the largest errors in ECHAM6 related to atmospheric wave propagation
Arctic Sea Ice Change, Large-Scale Atmospheric Circulation Patterns and Extreme Climate and Weather in Europe
No full textEnergy dissipation rate profiles derived from tethered balloon-borne measurements during the MOSAiC expedition from December 2019 to May 2020
No full textThis is a dataset of energy dissipation rates that were derived from turbulence measurements with a tethered balloon. A hot-wire anemometer package was operated during Legs 1, 2, and 3 of the MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate) expedition. From the temporal high-resolution wind velocity records, energy dissipation rate (EDR) profiles were derived for non-overlapping 1 s time periods. With that, vertical profiles of the turbulence quantity are available for 34 days between 2019-12-06 and 2020-05-06 covering polar night and spring. The vertical profiles of turbulence measurements reach typically up to a height of several hundred meters (~200 m to ~1400 m).
The data set contains not only the time stamps of the intervals used to calculate the EDR and the derived EDR values, but also the altitude values, the applied scaling coefficient and the upper bound of the inertial subrange
Stratospheric response to Arctic sea ice retreat and associated planetary wave propagation changes
No full textThe stratospheric response to the observed Arctic sea ice retreat is analysed based on European Centre for Medium-Range Weather Forecast (ECMWF) Re-Analysis Interim (ERA-Interim) atmospheric data from 1979-2012. It is shown that changes in August/September sea ice concentration impact on tropospheric and stratospheric geopotential heights in the following winter. During low ice phases a negative tropospheric Arctic Oscillation pattern is found, which is connected to a weakened stratospheric polar vortex and warmer stratospheric temperatures. Furthermore, the analysis reveals enhanced upward EP fluxes due to planetary waves for low ice conditions. Strong stratospheric anomalies in the Atlantic/European region are associated with a weaker polar vortex. Low ice periods are connected with additional tropospheric wave energy excitation in the Pacific/North America region and influence the stratosphere through three-dimensional planetary wave propagation
Interaction of diabatic processes, eddies and the mean atmospheric circulation over the Atlantic, Arctic and Eurasia
No full textIn the last decade, the atmospheric part of the climate system experienced a shift from pronounced zonal to stronger
meridional flow configurations and regionally diverse changes and trends. The climate system shows complex interactions and
nonlinear behavior, manifested in global warming, rising ocean temperatures and the retreat of Arctic sea ice. Although atmospheric trends and changes are observed, underlying processes are not well understood. In this study we diagnose the interaction of large-scale atmospheric eddies and the mean flow with respect to diabatic heating and cooling processes that impact on the atmospheric advection of heat. For this purpose, three-dimensional Eliassen-Palm flux theory is used in combination with an analysis of the thermodynamic equation, diabatic heating and cooling and heat advection. The most recent decades of observed winter climate are evaluated in terms of climatology and trends over the Atlantic, Arctic and Eurasia. The change of the atmospheric circulation and related processes differ between early and late winter. In early winter, the interaction of macro-turbulent eddies with the mean flow is inhibited at the Atlantic jet stream entrance region and atmospheric heat is meridionally advected into the Arctic, both related to strong high pressure anomalies. In late winter, these anomalies are inverted and a negative phase of the Arctic Oscillation with a more wavy mean flow and a tendency towards stronger meridionalization is observed
- …
