Lebenszyklen außertropischer Zyklonen im heutigen und zukünftigen Klima

Abstract

In dieser Arbeit werden Lebenszyklen der Tiefdruckgebiete der mittleren Breiten der Nordhemisphäre in verschiedenen Jahreszeiten der Reanalyse des ECMWF, ERA-40, sowie Simulationen des gekoppelten Ozean-Atmosphären-Modells des heutigen und eines möglichen zukünftigen Klimas analysiert. Die Verteilungen der charakteritischen Größen wie Position, Entstehung und Auflösung weisen in der Simulation des heutigen Klimas (20C) eine gute Übereinstimmung mit ERA-40 auf. In Verbindung mit einer Abnahme der Baroklinität in der unteren Troposphäre nimmt die Gesamtanzahl der Tiefdruckgebiete in einem erwärmten Zustand geringfügig ab. In der oberen Atmosphäre hingegen nimmt die Baroklinität deutlich zu. Zwei geometrische Parameter erweitern die charakteristischen Größen, mit denen die Lebenszyklen verbunden sind. Mittels der Anpassung einer Gauß-Funktion an das Feld der geopotentiellen Höhe werden die zwei Parameter, Radius und Tiefe, gewonnen. Beide Parameter weisen einen saisonalen Zyklus auf. Im Winter schwankt die mittlere Verteilung des Radius der Lebenszyklen im Bereich zwischen 300-500 km, während im Sommer die Schwankungen mit 300-400 km geringer sind. In beiden betrachteten Jahreszeiten zeigt sich ein prägnanter Lebenszyklus der Tiefe. Der gesamte Lebenszyklus ist durch eine universelle Funktion der normierten Lebenszeit, ˜ a(1-˜ a), darstellbar. Dieses symmetrische Anwachsen und Abklingen der Lebenszyklen zeigt sich ebenfalls in der aus den geometrischen Größen abgeleiteten kinetischen Energie. Die aus den geometrischen Parametern abgeleitete geostrophische Vorticity zeigt gute Übereinstimmungen mit der relativen Vorticity aus Beobachtungsdaten. Im Stabilisierungslauf eines erwärmten Klimas verschieben sich die Radien und Tiefen zu geringeren Werten in beiden Saisons. Zur Untersuchung der möglichen Intensivierung der Tiefdruckgebiete in einem erwärmten Klima werden vier Größen der Systeme näher analysiert: die zentrale geopotentielle Höhe (z1000), der mittlere horizontale Gradient (Ñz), die relative Vorticity (z850) und die Tiefe (D). Mittels der Extremwertstatistik zeigt sich ein besonders starker Einfluß der NAO (Nordatlantische Oszillation) auf die Extreme in z1000 in ERA-40. Dieser enge Zusammenhang wird von dem Modell nicht in dieser Stärke wiedergegeben. Im untersuchten Winterhalbjahr weisen die Tiefdruckgebiete in einem erwärmten Klima eine Intensivierung auf, die sich unterschiedlich stark in den jeweiligen Größen wiederspiegelt. Besonders prägnant ist die Intensivierung in den Extrema in z1000. Diese Intensivierung kann nicht durch eine nordwärtige Verlagerung erklärt werden.

Life cycles of extratropical cyclones are analysed in different seasons in reanalysis data of the ECMWF, ERA-40, and in present-day and future simulations of the coupled atmosphere-ocean model ECHAM5/MPI-OM. The extratropical cyclones are detected in the geopotential height of 1000 hPa. The distributions of the quantities associated with extratropical cyclones in the Northern Hemisphere, like position, cyclongenesis, cyclolysis etc., of the present-day simulation (20C) correspond well with those of extratropical cyclones in ERA-40. In association with a reduction of baroclinicity, determined by the eady growth rate in the lower troposphere, the number of extratropical cyclones decreases in a warmer climate scenario (A1B). In contrast, the upper troposphere shows an increase in baroclinicity. A Gaussian function is adjusted to the geopotential height field in the vicinity of a cyclone, yielding two geometric properties, radius und depth. Both quantities show a seasonal cycle in the datasets analysed. The radius shows a weak variability within 300-500 km during winter and 300-400 km in summer. Pronounced maxima of the mean spatial distribution of the depth are located close to the storm tracks. In contrast to the life cycles of the radius, those of the depth are most pronounced. The rescaled life cycle of the depth can be described by a simple universal function, ˜ a(1- ˜ a), of the rescaled ages ˜ a. This symmetric growth and decay is also visible in the derived kinetic energy, which is proportional to the squared depth D2. The geostrophic vorticity derived from the Gaussian geometric properties correspond to the relative vorticity in the ERA-40 data. During both seasons radius and depth exhibit lower values in a warmer climate scenario than in present-day conditions. The intensification of extratropical cyclones in a warmer climate is analysed by applying extreme value statistics to four different cyclonic quantities: central geopotential height (z1000), mean horizontal gradient of the geopotential height (Ñz), relative vorticity (z850) and depth (D). In the ERA-40 data the NAO (North Atlantic Oscillation) has a strong impact on the extremes in z1000; this is weaker in the present-day simulation. In a warmer climate the extremes in the cyclone quantities reveal higher magnitudes and smaller return periods in general. However, the magnitudes of these intensifications are not homogeneously distributed in the analysed quantities. Moreover, the return periods in z1000 show a pronounced shift to lower values, which can not be explained by a northward displacement.