Representation of warm conveyor belts in sub-seasonal forecast models and the link to Atlantic-European weather regimes
Creators: name: Wandel, Jan Lucas
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: warm conveyor belts
weather regimes
sub-seasonal forecasts
dynamical processes
weather prediction

description: Warm Conveyor Belts (WCBs) sind wichtige Komponenten der großräumigen Strömung in den mittleren Breiten, da sie Luft aus der unteren Troposphäre in die Tropopausenregion transportieren und zur Bildung von Höhenrücken und blockierender Wetterlagen beitragen. Diese blockierenden Wetterlagen machen einen wichtigen Teil der Variabilität der großräumigen atmosphärischen Zirkulation in mittleren Breiten aus, die durch westwärts propagierende außertropische Rossby-Wellen und stationäre Muster gekennzeichnet ist. Die Ergebnisse von kürzlich veröffentlichten Studien weisen darauf hin, dass der WCB eine wichtiger Ort für Vorhersageunsicherheiten und Fehler in numerischen Wettervorhersagemodellen (NWP) darstellt und möglicherweise mitverantwortlich für die relativ geringe Vorhersagegüte von bestimmten großräumigen Wetterlagen ist. Diese großräumigen Wetterlagen (oder Wetterregime) sind auf subsaisonalen Zeitskalen (mehrere Wochen bis zu einem Monat in der Zukunft) aufgrund ihrer sozio-ökonomische Auswirkungen und Verbindung zu Wetterextremen von enormer Bedeutung. Trotz der großen Bedeutung der WCBs für die großräumige Zirkulation fehlt bisher eine systematische Auswertung der Vorhersagbarkeit von WCBs in NWP-Modellen und ihrer Verbindung zu großräumigen Wetterregimen. Daher untersucht diese Studie die Repräsentation von WCBs in großen Datensätzen von Wettervorhersagen aus der Subseasonal-to-Seasonal (S2S)-Datenbank und evaluiert die Rolle von WCBs für den Lebenszyklus von Wetterregimen in der Atlantic-Europa Region in den Vorhersagen. Der erste Teil der Studie untersucht die Vorhersagbarkeit von WCBs in dem sub-seasonalen Wettervorhersagemodells des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) im Zeitraum Januar 1997 bis Dezember 2017. Die Vorhersage der WCB wird hinsichtlich der systematischen Auftretenshäufigkeit verifiziert und die Vorhersagegüte des WCBs im Modell evaluiert. Systematische Fehler in der WCB-Frequenz im Modell entstehen bereits zu frühen Vorhersagezeitpunkten von etwa 3 Tagen mit einer Unterschätzung der WCB-Aktivität von etwa 20\% relativ zur Klimatologie in der oberen Troposphäre über dem Nordatlantik und dem östlichen Nordpazifik. Abweichungen in der WCB Frequenz in der unteren und mittleren Tropospähre können teilweise durch Abweichungen im meridionalen Feuchtigkeitsfluss erklärt werden. Die Vorhersage des Auftretesn eines WCBs an einem festen Ort ist bis ca. 8--10 Tage im Voraus möglich, was auch der typischen Vorhersagbarkeit des Auftretens eines Tiefdruckgebiets entspricht. Die Vorhersagegüte von WCBs ist dabei besser über dem Nordpazifik im Vergleich zur Nordatlantik. Die Ergebnisse deuten darauf, dass die derzeit begrenzte Vorhersagbarkeit für die großräumige außertropische Zirkulation auf subsaisonalen Zeitskalen von über 10 Tagen in der Zukunft mit der Auflösung von Prozessen im WCBs verbunden sein könnte. Der zweite Teil der Studie bewertet die Rolle der WCBs für den Lebenszyklus blockierender Hochdruckwetterlagen über Europa (EuBL) in der verlängerten Winterperiode der sub-saisonalen Wettervorhersagen des EZMW (1997--2017). Im Vergleich zu anderen Wetterlagen ist die Vorhersage von EuBL immer noch eine große Herausforderung für die NWP und Klimamodelle. Die Analyse der WCB-Aktivität vor Beginn des Regimes zeigt eine starke Unterschätzung der WCB-Aktivität über dem Ostatlantik. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass die WCB-Aktivtät in den Vorhersagen anders zum Aufbauen der blockierende Wetterlage beiträgt und dass diese durch eine höhere Geopotentialanomalie und starker WCB-Aktivität an der Vorderseite des Blocks gekennzeichnet ist. Darüber hinaus weisen die Ergebnisse auf den Einfluss der Zirkulation über dem östlichen Nordpazifik auf die Vorhersagegüte des EuBL-Regimes hin. Die Ergebnisse zeigen, dass eine ungenaue Vorhersage der WCB-Aktivität teilweise für die relativ schlechte Vorhersagbarkeit von blockierenden Wetterlagen über Europe verantwortlich sein könnten, und verdeutlichen das Potenzial für eine weitere Verbesserung der subsaisonalen Vorhersage durch eine verbesserte Darstellung von WCBs in NWP-Modellen. Im dritten Teil der Studie wird die Rolle des WCBs dann weiter für andere großräumige Wetterregime bewertet, insbesondere für andere blockierende Hochdruckwetterlagen. Neben der Bedeutung für EuBL spielt die WCB-Aktivität auch eine wichtige Rolle für die Vorhersage blockierender Hochdruckgebiete über Skandinavien und Grönland (ScBL und GL), während die Rolle für blockierende Wetterlagen über dem Atlantik (AR) geringer ist. Bei ScBL gibt es eine hohe WCB-Aktivität über dem nördlichen Teil des Blocks (Barentssee), die in den Vorhersagen nicht gut aufgelöst wird. Bei GL haben die Vorhersagen Schwierigkeiten, die WCB-Aktivität über dem Atlantik und über Nordamerika zu erfassen. Darüber hinaus wird die Rolle des WCB für blockierende Wetterlagen über Europa im borealen Sommer bewertet, die häufig zu sommerlichen Hitzewellen über dem Kontinent führen. Die WCB-Aktivität ist während Episoden mit geringer Vorhersagegüte von EuBL und ScBL verstärkt, was darauf hinweist, dass der WCB auch eine Rolle für die Vorhersage von blockierenden Hochdruckwetterlagen über Europa im Sommer spielt. Alles in allem unterstreichen die Ergebnisse, dass eine verbesserte Vorhersage von WCBs wahrscheinlich zu Verbesserungen der Vorhersagegüte auf subsaisonalen Zeitskalen führen würde. Abschließend wird die Darstellung von WCBs und die Verbindung zu Wetterregimen in verschiedenen NPW-Modellen aus der S2S-Datenbank evaluiert. Die Analyse zeigt, dass ähnliche Fehler in der WCB-Aktivität bereits zu frühen Vorhersagezeitpunkten in allen S2S-Modellen auftreten. Die Fehler sind in den Vorhersagen des EZMW und des National Centers for Environmental Prediction (NCEP) schwächer als in den anderen Modellen. Der Vorhersagehorizont für WCBs für die Nordhalbkugel variiert zwischen den S2S-Modellen und ist in den Vorhersagen des EZMW und von Environmental and Climate Change Canada (ECCC) am Höchsten (ca. 8 Tage). Ein Vergleich zwischen den Modellen bezüglich des Zusammenhangs zwischen WCB-Aktivität und blockierender Hochdruckwetterlagen über Europa zeigt, dass in allen Modellen der WCB eine wichtige Rolle spielt und dass die Modellen den Block in ähnlicher Weise aufbauen. Trotz dieser Ähnlichkeiten gibt es Unterschiede in den Modellen bezogen auf die WCB Aktivität und die großräumige Zirkulation. Die Ergebnisse dieser Studie tragen dazu bei, WCBs in NWP-Modellen und deren Rolle für die Vorhersage großräumiger Strömungsregime besser zu verstehen. Die Eregbnisse betonen die Bedeutung einer genauen Vorhersage von kleinräumigen Prozessen in außertrpischen Tiefdruckgebieten (wie das Freiwerden von latenter Wärme in WCBs) für die subsaisonale Vorhersage auf Zeitskalen von über zwei Wochen in der Zukunft. Darüber hinaus weisen die Ergebnisse darauf hin, dass der WCB eine wichtige Rolle für die Vorhersage blockierender Hochdruckwetterlagen spielt und dass deren geringe Vorhersagegüte über Europa sehr wahrscheinlich mit falsch dargestellten WCBs in den NWP-Modellen zusammenhängt.