Authors:	Campa, Jana
Title:	Potential vorticity and moisture in extratropical cyclones : climatology and sensitivity experiments
Online publication date:	12-Aug-2013
Year of first publication:	2013
Language:	english
Abstract:	The development of extratropical cyclones can be seen as an interplay of three positive potential vorticity (PV) anomalies: an upper-level stratospheric intrusion, low-tropospheric diabatically produced PV, and a warm anomaly at the surface acting as a surrogate PV anomaly. In the mature stage they become vertically aligned and form a â PV towerâ associated with strong cyclonic circulation. This paradigm of extratropical cyclone development provides the basis of this thesis, which will use a climatological dataset and numerical model experiments to investigate the amplitude of the three anomalies and the processes leading in particular to the formation of the diabatically produced low-tropospheric PV anomaly.rnrnThe first part of this study, based on the interim ECMWF Re-Analysis (ERA-Interim) dataset, quantifies the amplitude of the three PV anomalies in mature extratropical cyclones in different regions in the Northern Hemisphere on a climatological basis. A tracking algorithm is applied to sea level pressure (SLP) fields to identify cyclone tracks. Surface potential temperature anomalies â θ and vertical profiles of PV anomalies â PV are calculated at the time of the cyclonesâ minimum SLP and during the intensification phase 24 hours before in a vertical cylinder with a radius of 200 km around the surface cyclone center. To compare the characteristics of the cyclones, they are grouped according to their location (8 regions) and intensity, where the central SLP is used as a measure of intensity. Composites of â PV profiles and â θ are calculated for each region and intensity class at the time of minimum SLP and during the cyclone intensification phase.rnrnDuring the cyclonesâ development stage the amplitudes of all three anomalies increase on average. In the mature stage all three anomalies are typically larger for intense than for weak winter cyclones [e.g., 0.6 versus 0.2 potential vorticity units (PVU) at lower levels, and 1.5 versus 0.5 PVU at upper levels].rnThe regional variability of the cyclonesâ vertical structure and the profile evolution is prominent (cyclones in some regions are more sensitive to the amplitude of a particular anomaly than in other regions). Values of â θ and low-level â PV are on average larger in the western parts of the oceans than in the eastern parts. In addition, a large seasonal variability can be identified, with fewer and weaker cyclones especially in the summer, associated with higher low-tropospheric PV values, but also with a higher tropopause and much weaker surface potential temperature anomalies (compared to winter cyclones).rnrnIn the second part, we were interested in the diabatic low-level part of PV towers. Evaporative sources were identified of moisture that was involved in PV production through condensation. Lagrangian backward trajectories were calculated from the region with high PV values at low-levels in the cyclones. PV production regions were identified along these trajectories and from these regions a new set of backward trajectories was calculated and moisture uptakes were traced along them. The main contribution from surface evaporation to the specific humidity of the trajectories is collected 12-72 hours prior to therntime of PV production. The uptake region for weaker cyclones with less PV in the centre is typically more localized with reduced uptake values compared to intense cyclones. However, in a qualitative sense uptakes and other variables along single trajectories do not vary much between cyclones of different intensity in different regions.rnrnA sensitivity study with the COSMO model comprises the last part of this work. The study aims at investigating the influence of synthetic moisture modification in the cyclone environment in different stages of its development. Moisture was eliminated in three regions, which were identified as important moisture source regions for PV production. Moisture suppression affected the cyclone the most in its early phase. It led to cyclolysis shortly after its genesis. Nevertheles, a new cyclone formed on the other side of a dry box and developed relatively quickly. Also in other experiments, moisture elimination led to strong intensity reduction of the surface cyclone, limited upper-level development, and delayed or missing interaction between the two.rnrnIn summary, this thesis provides novel insight into the structure of different intensity categories of extratropical cyclones from a PV perspective, which corroborates the findings from a series of previous case studies. It reveals that all three PV anomalies are typically enhanced for more intense cyclones, with important regional differences concerning the relative amplitude of the three anomalies. The moisture source analysis is the first of this kind to study the evaporation-condensation cycle related to the intensification of extratropical cyclones. Interestingly, most of the evaporation occurs during the 3 days prior to the time of maximum cyclone intensity and typically extends over fairly large areas along the track of the cyclone. The numerical model case study complements this analysis by analyzing the impact of regionally confined moisture sources for the evolution of the cyclone. Die Entwicklung außertropischer Zyklonen kann als ein Wechselspiel dreier positiver Anomalien der potenziellen Vorticity (PV) gesehen werden: die Intrusion der stratosphärischen Luft in den höheren Schichten, die diabatisch produzierte PV-Anomalie in der unteren Troposphäre und die Warmanomalie am Boden, die als Ersatz für eine positive PV-Anomalie dienen kann. Zum Zeitpunkt der maximalen Intensität überlagern sich diese drei Anomalien und bilden so einen sogenannten â PV-Turmâ , der mit starker zyklonaler Zirkulation verbunden ist. Dieses Modell der Entwicklung außertropischer Zyklonen stellt die Grundlage dieser Doktorarbeit dar. Sie nutzt einen klimatologischen Datensatz und numerische Modellexperimente um die Amplitude der drei Anomalien und die Prozesse zu untersuchen, die insbesondere zur Bildung der diabatisch erzeugten PV Anomalie in der unteren Troposphäre führen.rnrnIm ersten Teil dieser Arbeit wurde die Amplitude der drei PV-Anomalien in reifenrnaußertropischen Zyklonen in verschiedenen Regionen der Nordhemisphäre klimatologisch quantifiziert. Dazu wurden ERA-Interim Reanalysen des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF) verwendet. Ein Verfolgungsalgorithmus identifizierte und verfolgte die Zyklonenzugbahnen im Feld des Bodendrucks auf der Meeresoberfläche. Bodenwarmanomalien â θ und vertikale Profile der PV Anomalien â PV in einem vertikalen Zylinder mit dem Radius 200 km wurden zum Zeitpunkt der höchsten Intensität der Zyklone und in der 24 Stunden davor liegenden Intensivierungsphase berechnet. Um ihre Charakteristiken vergleichen zu können, wurden sie nach Ort (8 Regionen) und Intensität in Gruppen eingeteilt, wobei der minimale Bodendruck auf der Meeresoberfläche im Zentrum der Zyklone als Intensitätsmaß benutzt wurde. Komposite der Profile der â PV und der â θ wurden für jede Region und jedernIntensitätsklasse berechnet, zum Zeitpunkt der maximalen Intensität und während der Intensivierungsphase.rnrnWährend der Zyklonenentwicklung wuchsen alle drei Amplituden im Durchschnitt. Im Reifestadium sind alle drei Anomalien größer für intensive als für schwächere Zyklonen [e.g., 0.6 versus 0.2 potential vorticity units (PVU) in den unteren Schichten und 1.5 versus 0.5 PVU in den oberen Schichten]. Die regionalernVariabilität der vertikalen Struktur der Zyklonen ist markant (Zyklonen verschiedener Regionen zeigen sich durch eine bestimmte Anomalie mehr beeinflusst als durch andere). â θ und â PV in der unteren Troposphäre sind im Durchschnitt größer in den westlichen als in östlichen Teilen der Ozeane. Zusätzlich wurde eine große saisonale Variabilität gefunden mit weniger und schwächeren Zyklonen, besonders im Sommer. Sie sind verbunden mit höheren PV-Werten in den unteren Schichten, höherer Tropopause und schwächeren Bodenanomalien der potenziellen Temperatur im Vergleich zum Winter. rnrnIm zweiten Teil steht der untere, diabatische Teil des PV-Turmes im Vordergrund.rnVerdunstungsquellen der Feuchte, die an der PV-Produktion durch Kondensation beteiligt waren, wurden identifiziert. Lagrangesche Rückwärtstrajektorien wurden von der Region mit hohen PV-Werten im Zyklonenzentrum berechnet. Regionen der PV-Produktion wurden entlang der Trajektorien identifiziert und von diesen aus wurde ein neues Set der Trajektorien berechnet. Entlang dieser Trajektorien wurden Quellenregionen diagnostiziert. Der Hauptbeitrag der Oberflächenverdunstung zur spezifischen Feuchte der Trajektorien wurde 12-72 Stunden vor dem Zeitpunkt der PV-Produktion aufgenommen. Die Quellregionen für schwächere Zyklonen mit weniger PV im Zentrum sind typischerweise umliegend und kleiner und haben niedrigere Werte als für intensivere Zyklonen. Jedoch unterscheiden sich die Werte der Feuchteaufnahme und andere Variablen entlang einzelner Trajektorien nicht stark für unterschiedlich starke Zyklonen verschiedener Regionen.rnrnEine Sensitivitätsstudie mit dem COSMO Modell stellt den dritten Teil dieser Arbeit dar. Die Studie untersucht den Einfluss der Veränderung der Feuchte in der Umgebung der Zyklone in verschiedenen Stadien der Entwicklung. In drei Regionen wurde Feuchte entzogen, die vorher als Quellregionen für die PV-Produktion definiert wurden. Die Eliminierung der Feuchte hatte den größten Effekt in der frühesten Phase der Zyklonenentwicklung. Sie führte kurz nach der Entstehung der Zyklone zur Zyklolyse. Eine neue Zyklone entstand auf der anderen Seite der trockenen Box, entwickelte sich relativ schnell und ersetzte die primäre Zyklone. Auch in anderen Experimenten führte die Eliminierung der Feuchte zu starker Reduktion der Intensivität der Bodenzyklone, beschränkter Entwicklung an der Tropopause und verspäteter oder ausgebliebener Wechselwirkung zwischen den beiden.rnrnDiese Arbeit bietet eine neue Sicht auf die Struktur außertropischer Zyklonen mit unterschiedlichen Intensitätskategorien aus der PV-Perspektive, die die Erkenntnisse vorangehender Fallstudien bestätigt. Sie macht deutlich, dass alle drei PV-Anomalien in intensiveren Zyklonen typischerweise größer sind mit wichtigen regionalen Unterschieden die relative Amplitude der drei Anomalien betreffend. Die Analyse der Feuchtequellen ist die erste solche Untersuchung des Verdunstungs-Kondensations-Kreislaufs in Bezug auf die Intensivierung außertropischer Zyklonen. Interessanterweise geschieht die meiste Verdunstung während der drei Tage vor dem Zeitpunkt der maximalen Zyklonenintensität und ist typischerweise über ein relativ großes Gebiet entlang der Zyklonenzugbahn ausgebreitet. Die Fallstudie mit einem numerischen Modell ergänzt diese Untersuchung durch die Analyse des Einflusses regional begrenzter Feuchtequellen für die Zyklonenentwicklung.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2760
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-34971
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	115 S.
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