The impact of ocean eddies on tropical cyclone intensity on a global scale and the role of boundary layer dynamics

Abstract

Warm-core ocean eddies have been linked to the rapid intensification of tropical cyclones across the world's oceans, from Hurricane Katrina in the Atlantic, to Supertyphoon Maemi in the Pacific and Cyclone Nargis in the Indian Ocean. Normally, sea-surface cooling induced by tropical cyclones acts as a brake on tropical cyclone intensity. By suppressing sea-surface cooling, warm-core eddies enable tropical cyclones to intensify further. Although coupled atmosphere-ocean forecasting models simulate sea-surface cooling, rapid intensification remains difficult to predict. A better understanding of the effect of warm-core eddies on tropical cyclone intensity is key to improving forecasts.

In my thesis, I focus on the dynamics of the tropical cyclone boundary layer. Boundary layer dynamics influence the structure of the tropical cyclone circulation, which is inextricably linked to tropical cyclone intensity. While boundary layer dynamics are important for tropical cyclone intensity in atmosphere-only models, they have not been explored in coupled models. I address this gap by analysing a simulation of a tropical cyclone that decays due to sea-surface cooling and subsequently reintensifies when the sea-surface cooling is suppressed by a warm-core eddy. I find boundary layer dynamics play an important role modulating the decay and reintensification through changes in the structure of the tropical cyclone. Moreover, I find the differing rates of decay cannot be explained without boundary layer dynamics. These results underscore the importance of accurately representing boundary layer dynamics in coupled forecasting models and guide the choice of boundary layer parameterisations, which affect the ability of forecasting models to predict rapid intensification.

In addition, I investigate the impact of warm-core and cold-core eddies on tropical cyclone intensity on a global scale with the first analysis of a global coupled simulation that resolves tropical cyclones and ocean eddies. I find encounters between tropical cyclones and ocean eddies are common. My analysis reveals that tropical cyclones that encounter warm-core eddies reach on average a higher peak intensity, whereas cold-core eddies do not have an effect on the average peak intensity. If these results prove to be robust, they point to a potential bias in future projections of tropical cyclone intensity, which are based on climate simulations that do not resolve ocean eddies. Disentangling the impact of ocean eddies in future eddy-resolving climate simulations will hinge on the sensitivity of tropical cyclone intensity to boundary layer schemes and our understanding of boundary layer dynamics.

Über alle Ozeane hinweg wurden warme Ozeanwirbel mit der rasanten Intensivierung tropischer Wirbelstürme in Verbindung gebracht, von Hurrikan Katrina im Atlantik, über den Supertaifun Maemi im Pazifik, bis hin zum Zyklon Nargis im Indischen Ozean. Normalerweise bremst die von tropischen Wirbelstürmen herbeigeführte Abkühlung der Meeresoberflächentemperatur eine weitere Intensivierung der Stürme aus. Indem warme Ozeanwirbel diese Abkühlung unterdrücken, ermöglichen sie eine fortschreitende Intensivierung tropischer Wirbelstürme. Obwohl numerische Vorhersagemodelle mit gekoppelten Komponenten für die Atmosphäre und den Ozean in der Lage sind die Abkühlung der Meeresoberflächentemperatur zu simulieren, bleibt eine rasante Intensivierung tropischer Wirbelstürme schwer vorherzusagen. Ein besseres Verständnis des Effekts von warmen Ozeanwirbeln auf die Intensität von tropischen Wirbelstürmen ist ein wichtiger Schlüssel zur Verbesserung von Vorhersagen.

In meiner Arbeit fokussiere ich mich auf die Dynamiken in der Oberflächengrenzschicht tropischer Wirbelstürme. Diese Dynamiken beeinflussen die Struktur eines tropischen Wirbelsturms, welche untrennbar mit dessen Intensität verbunden ist. Während die Wichtigkeit von Grenzschichtdynamiken für die Intensität von tropischen Wirbelstürmen in Atmosphärenmodellen bereits gezeigt wurde, ist der Effekt in gekoppelten Modellen noch unerforscht. Ich adressiere diese Wissenslücke, indem ich einen simulierten tropischen Wirbelsturm untersuche, dessen Intensität sich in seinem Verlauf zunächst aufgrund der von ihm induzierten Abkühlung der Meeresoberflächentemperatur verringert. Im Anschluss nimmt die Intensität des tropischen Wirbelsturms wieder zu, da der tropische Wirbelsturm auf einen warmen Ozeanwirbel trifft, welcher die Abkühlung der Meeresoberflächentemperatur unterdrückt. Meine Ergebnisse zeigen, dass die Dynamiken in der Oberflächengrenzschicht eine wichtige Rolle für die Abschwächung und die anschließende Intensivierung des tropischen Wirbelsturms spielen, da sie einen Einfluss auf dessen Struktur ausüben. Des Weiteren zeige ich, dass die unterschiedlichen Abschwächungsraten nicht ohne Berücksichtigung der Grenzschichtdynamik erklärt werden können. Diese Ergebnisse unterstreichen die Wichtigkeit einer korrekten Darstellung der Grenzschichtdynamik in gekoppelten Vorhersagemodellen und geben eine Hilfestellung bei der Auswahl von Parametrisierungen der Grenzschicht, welche die Qualität der Vorhersage einer rasanten Intensivierung tropischer Zyklone beeinflussen.

Darüber hinaus studiere ich den globalen Einfluss von warmen und kalten Ozeanwirbeln auf die Intensität von tropischen Wirbelstürmen mit Hilfe der ersten Analyse einer globalen, gekoppelten Simulation, die tropische Wirbelstürme und Ozeanwirbel auflösen kann. Ich zeige, dass Begegnungen zwischen tropischen Wirbelstürmen und Ozeanwirbeln häufig vorkommen. Meine Analyse offenbart, dass tropische Wirbelstürme, die einem warmen Ozeanwirbel begegnen, im Durchschnitt eine höhere Maximalintensität erreichen, wohingegen kalte Ozeanwirbel keinen Einfluss auf die erreichte Maximalintensität besitzen. Wenn sich diese Ergebnisse als robust herausstellen, deutet dies auf eine mögliche Verzerrung in Projektionen für die zukünftige Intensität von tropischen Wirbelstürmen hin, da diese auf Klimamodellen basieren, die Ozeanwirbel nicht auflösen können. Unser Verständnis des Einflusses von Ozeanwirbeln in zukünftigen, hochauflösenden Klimasimulationen hängt ab von der Sensitivität, die tropische Wirbelstürme gegenüber Grenzschichtparametrisierungen zeigen, sowie von unserem Wissen über die Dynamiken innerhalb der Oberflächengrenzschicht.