Air-sea interaction over the Southern Ocean: On the role of

DISS. ETH NO. 22637
Air-sea interaction over the Southern Ocean:
On the role of extratropical cyclones, fronts
and cold air outbreaks
A thesis submitted to attain the degree of
D OCTOR OF S CIENCES OF ETH Z URICH
(D R . SC . ETH Z URICH )
presented by
L UKAS M ICHAEL PAPRITZ
MSc in Physics, ETH Zurich
born on 14 April 1986
citizen of Schwarzenburg BE, Switzerland
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Heini Wernli, examiner
Prof. Dr. Nicolas Gruber, co-examiner
Prof. Dr. Thomas Jung, co-examiner
Dr. Stephan Pfahl, co-examiner
Prof. Dr. Harald Sodemann, co-examiner
2015
Abstract
The Southern Ocean (SO) denotes the circumpolar water mass surrounding the
Antarctic continent. In the SO, upwelling of waters, which were densified and sank
to depth in the North Atlantic or close to the Antarctic continent, closes the oceanic
meridional overturning circulation. Because of the weak stratification of the SO,
this process, as well as the fate of these upwelled waters are strongly susceptible to
density changes due to air-sea heat and freshwater fluxes, whose synoptic variability is dictated by large-scale atmospheric processes. It is the goal of this thesis to
investigate the role of extratropical cyclones, fronts and cold air outbreaks (CAOs)
for shaping air-sea heat and freshwater fluxes over the SO on synoptic to climatic
timescales, and to study specific aspects of how air-sea heat fluxes affect the evolution of these weather systems.
First, the role of extratropical cyclones and fronts for the atmospheric freshwater
fluxes over the SO is analysed. Based on the European Centre for Medium-Range
Weather Forecasts (ECMWF) ERA-Interim reanalysis, the freshwater fluxes associated with cyclones are quantified and it is revealed that the structure of the Southern
Hemisphere (SH) storm track is strongly imprinted on the climatological freshwater fluxes. Most notably during austral winter, the spiraliform shape of the storm
track leads to a band of negative freshwater fluxes bending towards and around
Antarctica. Using a novel and comprehensive method to attribute coherent areas of
precipitation uniquely to cyclones and fronts, it is demonstrated that over the SO
between 60 %–90 % of strong precipitation events (> 75th -percentile) are due to
these synoptic systems. Thereby, cyclones are the dominant cause of strong precipitation at high latitudes and in the midlatitudes of the western Atlantic and the
Pacific, while in the Indian Ocean and the eastern Atlantic fronts account for most
of the strong precipitation. Finally, it is shown that the wintertime interannual variability of freshwater fluxes is driven by variations in strong precipitation, with the
most prominent exception being the vicinity of the sea ice edge in the South Pacific,
where prevalent CAOs induce intense evaporation.
The climatological investigation of South Pacific CAOs reveals two major and
distinct regions with frequent CAOs from autumn to spring, one in the Ross Sea
10
(RS) and another in the Amundsen and Bellingshausen Seas (ABS), which are also
reflected in enhanced climatological air-sea heat fluxes. In winter, CAOs are the
major contributor to the air-sea heat fluxes off the sea ice edge and their frequency
largely determines interannual variations of the heat fluxes. Furthermore, about
80 % of the CAOs are induced by the passage of extratropical cyclones. Accordingly, wintertime variations of the frequency of extratropical cyclones are strongly
imprinted on the frequency of CAOs and the air-sea heat and freshwater fluxes. In
particular in regions where CAOs are frequent, much of the precipitation associated
with the passage of extratropical cyclones is compensated by intense evaporation in
cyclone-induced CAOs.
The characteristics and evolution of CAO air masses in the South Pacific are
investigated climatologically in the ERA-Interim dataset and in a case study of a
particularly intense CAO, which was accompanied by the development of a train
of mesocyclones, using a high-resolution, regional numerical weather prediction
model. Based on kinematic backward trajectories, it is shown that climatologically
more than 40 % of the air masses leading to CAOs originate from Antarctica, with
the Ross Ice Shelf as the major pathway. Once the CAO air mass is advected across
the sea ice edge, intense air-sea heat fluxes promote a deepening of the mixed layer,
which can reach up to the low lying tropopause associated with an upper-level
potential vorticity (PV) trough. Furthermore, the initially strongly cyclonic PV of
these CAO air masses is rapidly eroded by sensible heat fluxes, limiting its potential
for contributing to mesocyclogenesis.
On the basis of the case study, for the first time, the processes promoting the dissipation of CAO air masses are analysed. The results reveal that the development of
mesoscale cyclones and associated turbulent mixing and latent heat release in their
warm sector strongly ramp up the dissipation of the CAO air mass. Sensitivity experiments with switched off sensible and latent heat fluxes show that the moistening
by latent heat fluxes is the key process, whereby the synergistic effect of sensible
and latent heat fluxes strongly amplifies the dissipation. In contrast, away from the
mesocyclones, the convective cloud layer at the top of the CAO air mass inhibits
its efficient erosion via cloud top radiative cooling and the dissolution of the clouds
due to the entrainment of drier, albeit also potentially warmer air.
The final part of this thesis presents a novel diagnostic in an isentropic framework that allows to quantitatively investigate the contribution of dynamical and diabatic processes to the budget of baroclinicity along the storm tracks. It is based
on the tendency equation for the slope of isentropic surfaces – a measure of the potential for baroclinic development. The tendency comprises separate contributions
from dynamical processes, latent heat release, radiation, and sub-gridscale turbulence, which incorporates the effect of sensible heat fluxes. Using this diagnostic,
11
the maintenance of the slope of isentropic surfaces over the North Atlantic, which –
in contrast to the SO – features an intense western boundary current, is investigated
for two winters. In the lower troposphere, the most intense diabatic contribution
occurs along the oceanic frontal zone associated with the Gulf Stream and at higher
latitudes, the Labrador Sea, the Nordic Seas and the Barents Sea. A quantitative
analysis of CAOs emphasises their important role for maintaining the slope of isentropic surfaces in the aforementioned regions via air-sea heat fluxes. In the upper
troposphere, latent heat release due to cloud microphysical processes is the most
important mechanism.
Zusammenfassung
Der Südozean bezeichnet die den Antarktischen Kontinent umspannende, zirkumpolare Wassermasse. Das Aufsteigen von Tiefenwasser im Südozean, welches im
Nordatlantik oder nahe des Antarktischen Kontinents verdichtet wurde und absank,
schliesst die ozeanische meridionale Umwälzbewegung. Wegen der geringen statischen Stabilität des Südozeans sind dieser Prozess und das weitere Schicksal
der aufgestiegenen Wassermassen sehr empfindlich gegenüber Dichteänderungen
durch Wärmeflüsse zwischen der Atmosphäre und dem Ozean, sowie dem Eintrag von Frischwasser, deren synoptische Schwankungen durch die grossskaligen
atmosphärischen Strömungen bestimmt wird. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es,
die Rolle von Wirbelstürmen der mittleren Breiten, Fronten und Kaltluftausbrüchen
(KLA) für Wärmeflüsse und Frischwassereinträge in den Südozean auf synoptischen bis klimatologischen Zeitskalen, sowie ausgesuchte Aspekte des Einflusses
der Atmosphäre-Ozean Interaktion auf die Entwicklung dieser Wettersysteme, zu
untersuchen.
Zuerst wird die Rolle von Wirbelstürmen der mittleren Breiten und Fronten
für die atmosphärischen Frischwassereinträge analysiert. Dazu wird der Frischwassereintrag duch Wirbelstürme basierend auf der ERA-Interim Reanalyse des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage quantifiziert, wobei es sich
zeigt, dass die Struktur der Sturmbahn der mittleren Breiten der räumlichen Verteilung der klimatologischen Frischwassereinträge fest eingeprägt ist. Besonders im
südhemisphärischen Winter führt die spiralförmige Form der Sturmbahn zu einem
ausgeprägten Band starken Frischwassereintrags, das sich um den Antarktischen
Kontinent legt. Mit Hilfe einer neuen und umfassenden Methode, die es erlaubt zusammenhängende Niederschlagsgebiete eindeutig Wirbelstürmen und Fronten zuzuordnen, wird gezeigt, dass über dem Südozean zwischen 60 % und 90 % der starken Niederschlagsereignisse (> 75th Perzentil) durch diese synoptischen Systeme
verursacht wird. Dabei stellt es sich heraus, dass in den hohen, sowie in den mittleren Breiten des westlichen Atlantischen, als auch des Pazifischen Ozeans, Wirbelstürme die Hauptursache starken Niederschlags bilden. Im Gegensatz dazu sind
im Indischen und dem östlichen Atlantischen Ozean mehrheitlich Fronten für den
14
starken Niederschlag verantwortlich. Schliesslich wird gezeigt, dass im Winter die
jährlichen Schwankungen des Frischwassereintrags durch Variationen des starken
Niederschlags bestimmt werden. Eine bedeutende Ausnahme davon ist die Region
nahe der Meereiskante im Südpazifischen Ozean, wo häufige KLA intensive Verdunstung anfachen.
Die klimatologische Untersuchung von KLA im Südpazifischen Ozean hebt
zwei Regionen hervor, in denen diese gehäuft auftreten: das Rossmeer und die
Amundsen- und Bellingshausensee. Diese Regionen fallen auch durch intensive
klimatologische Wärmeflüsse vom Ozean in die Atmosphäre auf. Im Winter bestimmen Intensität und Häufigkeit der KLA sowohl die Stärke der Wärmeflüsse, als
auch deren jährlichen Schwankungen. Des Weiteren werden rund 80 % der KLA
durch vorbeiziehende Wirbelstürme verursacht. Dementsprechend wirken sich die
jährlichen Schwankungen der Häufigkeit von winterlichen Wirbelstürmen stark auf
die Häufigkeit von KLA und die Wärmeflüsse, sowie die Frischwassereinträge aus.
Insbesondere in Regionen mit besonders häufigen KLA wird ein Grossteil des durch
Wirbelstürme verursachten Niederschlags durch starke Verdunstung in von Wirbelstürmen verursachten KLA ausgeglichen.
Die Eigenschaften und die Entwicklung von Luftmassen, die zu KLA führen,
werden sowohl klimatologisch im ERA-Interim Datensatz, sowie in einer Fallstudie eines besonders intensiven KLA, der durch die Entwicklung einer Abfolge von
mesoskaligen Wirbelstürmen begleitet wurde, mittels eines hochaufgelösten, regionalen numerischen Wettervorhersagemodells untersucht. Mit Hilfe von kinematischen Rückwärtstrajektorien wird gezeigt, dass klimatologisch mehr als 40 % der
Luftmassen, die zu KLA führen, vom Antarktischen Kontinent stammen, wobei der
Haupttransportweg über den Rosseisschelf führt. Sobald die KLA Luftmasse die
Meereisgrenze überquert hat, führen starke Wärmeflüsse zu einer Zunahme der vertikalen Ausdehnung der planetaren Grenzschicht, die bis zur tiefliegenden Tropopause unterhalb eines Höhentrogs hinaufreichen kann. Zudem wird die anfänglich
ausgesprochen zyklonale potentielle Wirbelstärke der KLA Luftmasse rasch durch
fühlbare Wärmeflüsse abgebaut, was deren Potential für die Entstehung von mesoskaligen Wirbelstürmen vermindert.
Auf Basis der Fallstudie werden erstmals die Prozesse, die den Abbau der
KLA Luftmasse bewirken, untersucht. Die Resultate zeigen, dass die Entwicklung von mesoskaligen Wirbelstürmen und damit verbundenes turbulentes Mischen
und die Freisetzung latenter Wärme in deren Warmsektor den Abbau der KLA
Luftmasse beschleunigt. Sensitivitätsexperimente, bei denen sensible und latente
Wärmeflüsse im numerischen Modell ausgeschaltet werden, zeigen, dass die Anfeuchtung der Luftmasse durch Verdunstung vom Ozean der entscheidende Prozess ist, der zum Abbau der KLA Luftmasse führt, wobei das Zusammenspiel von
15
fühlbaren Wärmeflüssen und Verdunstung den Abbau zusätzlich beschleunigt. Ausserhalb des Einflussbereichs der mesoskaligen Wirbelstürme verhindert die konvektive Wolkenschicht durch Strahlungskühlen an der Wolkenobergrenze und die
Auflösung der Wolken durch das Einströmen trockener, allerdings auch potentiell
wärmerer Luft den raschen Abbau der KLA Luftmasse.
Im letzten Teil dieser Doktorarbeit wird eine neue Diagnostik vorgestellt, die
es erlaubt den Beitrag von dynamischen und diabatischen Prozessen zum Budget
der Baroklinität entlang der Sturmbahn der mittleren Breiten quantitativ zu untersuchen. Sie baut auf der Tendenzgleichung für die Neigung isentroper Flächen auf –
einem Mass für das Potential für die barokline Intensivierung. Die Tendenz umfasst
Beiträge dynamischer Prozesse, latenter Wärmefreisetzung, Strahlung und turbulenten Mischens, das den Einfluss fühlbarer Wärmeflüsse enthält. Unter Verwendung dieser Diagnostik wird die Aufrechterhaltung der Neigung isentroper Flächen
über dem Nordatlantik, der – im Gegensatz zum Südozean – eine westliche Grenzströmung aufweist, für zwei Winter untersucht. In der unteren Troposphäre treten
die grössten diabatischen Beiträge entlang der ozeanischen Front des Golfstroms
auf, sowie in den hohen Breiten, der Labradorsee, dem Nordmeer und der Barentssee. Eine quantitative Untersuchung hebt die wichtige Rolle von KLA für die Erhaltung der Neigung isentroper Flächen in diesen Regionen hervor. In der oberen
Troposphäre ist der wichtigste Mechanismus die Freisetzung latenter Wärme durch
mikrophysikalische Prozesse in Wolken.

Download Report