Perspectives on warm conveyor belts - sensitivities to ensemble configuration and the role for forecast error
Creators: name: Pickl, Moritz
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022

description: Warmluftförderbänder (engl. warm conveyor belts, WCBs) sind Wettersysteme, die einen erheblichen Einfluss auf die großräumige Zirkulation in den Außertropen ausüben. Da sie Vorhersagefehler verstärken und auf das Rossby-Wellenmuster projizieren können, sind sie von großer Bedeutung für numerische Wettervorhersagen. Gleichzeitig wird der Aufstieg von Luftmassen in WCBs von der unteren in die obere Troposphäre stark von der Freisetzung von latenter Wärme durch Wolkenkondensationsprozesse angetrieben, deren Darstellung in Vorhersagemodellen mit Unsicherheiten behaftet ist. In der vorliegenden Arbeit werden zwei Aspekte von WCBs im Zusammenhang mit Ensemblevorhersagen näher beleuchtet: (1) Sensitivitäten von WCBs auf die Darstellung von Unsicherheiten der Anfangsbedingungen und des Vorhersagemodells, und (2) die Rolle von WCBs für das Wachstum von Vorhersagefehlern. Ensemble-Vorhersagesysteme berücksichtigen Vorhersagefehler, die mit physikalischen Parametrisierungen zusammenhängen, indem mehrere Vorhersageläufe mit gestörter Modellphysik durchgeführt werden. Das “stochastically perturbed parametrization tendencies“ (SPPT) Schema, eine bewährte Methode zur Darstellung von Modellunsicherheiten, führt Störungen in die von den physikalischen Parametrisierungen berechneten Tendenzen ein. Die Amplitude der lokalen Störungen ist proportional zum Betrag der Tendenzen aus den Parametrisierungsschemata, der in den Aufstiegsregionen von WCBs typischerweise groß ist. Im ersten Teil dieser Arbeit werden die Auswirkungen des SPPT-Schemas und anderer Methoden der Modelunsicherheitsdarstellung auf diabatisch getriebene, schnell aufsteigende Luftströmungen untersucht. Wir verwenden das Integrated Forecasting System (IFS) des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF) und führen eine Reihe von Sensitivitätsexperimenten mit verschiedenen Ensemble-Konfigurationen durch, um die Auswirkungen von Anfangsbedingungstörungen und Modellstörungen auf schnell aufsteigende Luftströmungen zu unterscheiden. Die aufsteigenden Luftströmungen werden mithilfe von Trajektorien detektiert. Trotz seines symmetrischen, null-zentrierten Designs führt das SPPT-Schema zu einer systematischen Erhöhung der Häufigkeit schnell aufsteigender Luftströmungen, ohne dass die physikalischen Eigenschaften der Trajektorien verändert werden. Das Ausmaß dieses Effekts hängt von der integrierten latenten Heizrate entlang der Luftströmungen ab und ist daher in den Tropen stärker ausgeprägt als in den mittleren Breiten. Eine Eulersche Perspektive auf die Verteilung der Vertikalgeschwindigkeiten zeigt, dass SPPT die Häufigkeit starker Aufwärtsbewegungen erhöht, was durch beschleunigte Abwärtsbewegungen ausgeglichen wird. Im Gegensatz zu SPPT führen Störungen der Anfangsbedingungen nicht zur Änderung der Häufigkeiten schnell aufsteigender Luftströmungen. Diese Erkenntnis wird genutzt, um die Ergebnisse der Sensitivitätsexperimente zu untermauern, indem die gestörten und ungestörten Vorhersagen von operationellen ECMWF-Ensemblevorhersagen über eine große Anzahl von einzelnen Vorhersagen in verschiedenen Jahreszeiten verglichen werden. Experimente mit zwei anderen Modellunsicherheitsschemata deuten darauf hin, dass die Auswirkungen auf das Auftreten schnell aufsteigender Luftströmungen hauptsächlich auf die Störungen der physikalischen Parametrisierungen zurückzuführen sind, während Störungen des dynamischen Kerns des Modells nur geringe Auswirkungen auf die Vertikalgeschwindigkeiten haben. Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein Mechanismus vorgestellt, wie stochastische, null-zentrierte Störungen zu einem einseitigen Effekt auf die Häufigkeit des Auftretens schnell aufsteigender Luftströmungen führen können. Wir stellen die Hypothese auf, dass symmetrische Störungen zu verzerrten Reaktionen führen können, wenn sie auf nichtlineare Systeme angewandt werden, die durch einen Schwellenwert gekennzeichnet sind, sodass Störungen in eine Richtung effektiver darin sind, einen Prozess auszulösen als Störungen gleicher Amplitude, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen den Prozess unterdrücken können. WCBs und andere schnell aufsteigende Luftströmungen sind eng mit der Bildung von Niederschlag und der Entwicklung der großräumigen Strömung in den mittleren Breiten verbunden. Die bisherigen Ergebnisse der Arbeit werfen daher die Frage auf, ob sich die Auswirkungen der stochastischen Störungen auf die aufsteigenden Trajektorien in diesen Wetterphänomenen widerspiegeln. Wir zeigen, dass stochastische Modellstörungen die globale Niederschlagsverteilung konsistent mit ihren Auswirkungen auf die Vertikalengeschwindigkeiten modulieren und zu einer Verschiebung der Verteilung hin zu höheren Werten führen. Auch die Auswirkungen auf die großräumige Strömung in den mittleren Breiten stehen im Einklang mit der erhöhten Häufigkeit von WCBs. Im Vergleich zu Vorhersagen mit einem ungestörten Modell sind Experimente, die mit stochastischen Modellunsicherheitsschemata gestört werden, durch eine erhöhte Amplitude des Rossby-Wellenmusters in der oberen Troposhäre und durch eine polwärtige Verschiebung der Tropopause gekennzeichnet. Die Ergebnisse werden durch die Auswertung der Rossbywellenamplitude in einem großen Reforecast-Datensatz mit gestörten und ungestörten Simulationen bestätigt. Die Konsistenz der modifizierten Vertikalengeschwindigkeiten und der Rossbywellenamplitude über verschiedene Schemata und Jahreszeiten hinweg deutet darauf hin, dass die WCBs den einseitigen Effekt der stochastischen Störungen auf die großräumige Zirkulation projizieren. Obwohl die Größenordnung dieses Effekts relativ gering ist, verdeutlicht er die Rolle von WCBs bei der Kommunikation von Signalen zwischen verschiedenen räumlichen Skalen und vertikalen Leveln. Der zweite übergreifende Aspekt dieser Arbeit ist die systematische Untersuchung der Rolle von WCBs für das Wachstum von Vorhersagefehlern. Durch die Nutzung eines einzigartigen Datensatzes von WCB- Trajektorien im Nordatlantik in operationellen ECMWF-Ensemblevorhersagen, die in drei Wintern initialisiert wurden, zielt die Analyse darauf ab, die negativen Auswirkungen von WCBs auf die Vorhersagequalität zu isolieren und die Ergebnisse früherer Studien zu bestätigen, die sich des Themas auf der Basis von Fallstudien angenommen haben. Wir stellen fest, dass Vorhersagefehler klimatologisch mit Regionen zusammenhängen, in denen WCBs häufig auftreten, und dass Vorhersagen, die durch eine hohe WCB-Aktivität gekennzeichnet sind, im Durchschnitt eine geringere Qualität aufweisen als Vorhersagen mit geringer WCB-Aktivität. Die Zeit in der Vorhersage, zu der das Fehlerwachstum über dem Nordatlantik am größten ist, ist durch anomal hohe WCB-Aktivität gekennzeichnet. Composites von normalisierten Vorhersagefehlern, die auf WCB-Objekte zentriert sind, zeigen, dass WCBs mit charakteristischen raum-zeitlichen Mustern erhöhter Vorhersagefehler verbunden sind. Die Fehlermuster in der mittleren Troposphäre hängen mit einem stromaufwärts gelegenen Trog und einem sich stromabwärts entwickelnden Rücken zusammen, weisen aber eine große Variabilität von Fall zu Fall auf. In der oberen Troposphäre hingegen ist die Verschlechterung der Vorhersagegüte über viele Fälle robust und steht hauptsächlich mit erhöhten Windgeschwindigkeiten an der Nordflanke des Höhenrückens in Zusammenhang. Diese Analyse liefert Hinweise dafür, dass WCBs am Wachstum und der Amplifizierung von Vorhersagefehlern beteiligt sind, und unterstreicht die Notwendigkeit einer Verbesserung ihrer Darstellung.