Warm conveyor belts − climatology and forecast - ETH E

DISS. ETH NO. 21315
Warm conveyor belts
−
climatology and forecast performance
A dissertation submitted to
ETH Z URICH
for the degree of
D OCTOR OF S CIENCES
presented by
E RICA M ADONNA
MSc in Atmospheric and Climate Science, ETH Zurich
born on 03 October 1985
citizen of Centovalli
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Heini Wernli, examiner
Prof. Dr. Olivia Martius, co-examiner
Dr. Hanna Joos, co-examiner
Dr. Mark J. Rodwell, co-examiner
2013
Abstract
Warm Conveyor Belts (WCBs) are strongly ascending cloud producing flows in extratropical
cyclones. During their rapid ascent from the boundary layer to the upper troposphere in about
1-2 days, they transport a large quantity of sensible and latent heat poleward and upward, which
leads to cloud formation and the release of latent heat. This goes along with a significant modification of the tropospheric potential vorticity (PV). WCBs reach the tropopause level with low
PV values (less than 0.5 pvu) and they can potentially amplify the upper-level Rossby waves
leading to the downstream formation of PV-streamers. These in turn can act as precursors of
extreme weather events. Furthermore, with respect to the quality of numerical weather prediction, an underestimation of the WCB ascent can lead to an underestimation of the amplitude of
upper-level ridges and in turn develop into a poor-quality medium-range weather forecast.
The aim of this thesis is to characterize the climatological frequency of occurrence, the
geographical distribution and the physical properties of WCBs. The study focuses on the diabatic PV modification along WCBs and provides climatological insight into the cloud diabatic
formation of significant positive and negative PV anomalies in the extratropical lower and upper troposphere, respectively. It also shows the complex interaction of physical and dynamical
processes associated with WCBs and their general role for weather and climate, and for the
quality of weather forecasts.
A global climatology of WCBs is presented for the years 1979-2010, based upon trajectories calculated with ERA-Interim reanalyses. WCB trajectories are identified as strongly
ascending air parcels (600 hPa in 2 days) near extratropical cyclones. Corroborating earlier
studies, WCBs are more frequent during winter than summer and they ascend preferentially
in the western ocean basins between 25 − 50◦ latitude. Before ascending, WCB trajectories typically approach from the subtropics in summer and from more midlatitude regions in
winter. Considering humidity, cloud water, and potential temperature along WCBs confirms
that they experience strong condensation and integrated latent heating during the ascent (typically > 20 K). Liquid and ice water contents along WCBs peak at about 700 and 550 hPa,
respectively. The mean potential vorticity (PV) evolution shows typical tropospheric values
near 900 hPa, followed by an increase to almost 1 pvu at 700 hPa, and a decrease to less than
0.5 pvu at 300 hPa. These low PV values in the upper troposphere constitute significant negative anomalies with amplitudes of 1-3 pvu, which can strongly influence the downstream flow.
i
Considering the low-level diabatic PV production, (i) WCBs starting at low latitudes (< 40◦ )
unlikely attain high PV (due to weak planetary vorticity) although they exhibit the strongest
latent heating, and (ii) for those ascending at higher latitudes, a strong vertical heating gradient
and high absolute vorticity are both important.
The link of WCBs and cold fronts, both important features in extratropical cyclones, is
investigated in the Southern Hemisphere. Both WCBs and fronts are identified as objects in
the lower troposphere. More than 2/3 of WCBs are associated with cold fronts, whereas about
15% of the fronts are linked to WCBs. Moreover, the relevance of WCBs for total and extreme
precipitation is estimated from the decrease in the specific humidity along WCB trajectories.
Our analysis evidences that WCBs are highly relevant for total and extreme precipitation in
many parts of the extratropics. During extreme precipitation events in the Mediterranean region
triggered by an upper-level PV-streamer the frequency of WCBs is particularly large.
PV-streamers can enhance the surface development of cyclones resulting in the formation
of WCBs. In turn, WCBs generate negative PV anomalies in the vicinity of the waveguide
and can amplify Rossby waves, which might lead to wave breaking and the formation of PVstreamers. With the help of a feature-based 4D tracking algorithm, PV-streamers and WCBs
are followed during their life cycle to investigate their interaction. PV-streamers are nine times
more frequent than WCBs. About 60% of the WCBs are linked to PV-streamers, either as
a trigger for the wave breaking or as a result of the streamer-induced cyclone intensification.
About 7% of the PV-streamers interacted during their life cycle with a WCB.
Finally, in the last part of this thesis, the representation of WCBs in ECMWF forecasts is
investigated for three winter periods and for different lead times. An object-based technique,
PAL, provides information about the quality of the WCBs forecast. The P term represents
the difference between the PV anomaly in the forecast (calculated subtracting the PV values
in the WCBs outflow from the climatological mean at the same location) and in the analysis.
Information about the amplitude of the error, i.e., the number of identified WCB trajectories is
given by A, whereas errors in the location of WCBs are represented by L. The results show
that the forecasts improve with decreasing lead time and for newer model cycles. For the
oldest model cycle considered (2002/2003) a slight overestimation of the amplitude of WCBs
is found, whereas for the season 2006/2007 a tendency toward negative P values, meaning
a too weak PV anomaly in the forecast, is observed. Although with the newest model cycle
(2010/2011) we do not observe a systematic under- or overestimation of WCBs, remarkably
large errors (> ± 0.5) are found in both the amplitude and the strength of the PV anomaly in
the outflow. Eventually, it is shown that errors in WCB outflows are related to poor quality
forecast of the upper-level PV-structure.
ii
Riassunto
I flussi convogliatori di aria calda (FCC) sono correnti d’aria calda e umida che salgono dallo strato limite planetario fino alla tropopausa in 1-2 giorni, contribuendo alla formazione di
nuvole e precipitazioni. I FCC trasportano una grande quantità di calore sensibile e calore latente verso i poli e verso l’alto. Questi processi non adiabatici modificano significativamente
la vorticità potenziale (PV). I FCC raggiungono la tropopausa con valori bassi della PV (∼
0.5 pvu), i quali possono potenzialmente amplificare le onde di Rossby e portare alla formazione di filamenti della PV. Questi a loro volta sono in grado di agire come precursori di eventi
meteorologici estremi. Inoltre, per quanto riguarda i modelli numerici di previsione meteorologica, una sottostima dei FCC può portare ad una sottostima dei ponti di alta pressione nelle
regioni della tropopausa e risultare in una previsione a medio termine di scarsa qualità.
Lo scopo di questa tesi è di caratterizzare la frequenza climatologica, la distribuzione geografica e le proprietà dei FCC. Il cambiamento della PV viene analizzato lungo i FCC e mostra
come i processi non adiabatici all’interno delle nuvole influiscano sulla formazione di anomalie positive della PV nella bassa troposfera e anomalie negative vicino alla tropopausa. Questo
studio mostra la complessa interazione di processi fisici e dinamici associati ai FCC, la loro
incidenza sul tempo e sul clima e la loro rilevanza per le previsioni meteorologiche.
Una climatologia globale dei FCC per il periodo 1979 − 2010 viene presentata usando
traiettorie calcolate con le reanalisi ERA-Interim. Per identificare le traiettorie è richiesto un
criterio di ascesa rapida (600 hPa in 2 giorni) nelle vicinanze di cicloni extratropicali. Come
confermato in studi precedenti, i FCC sono più frequenti durante l’inverno che d’estate ed
ascendono preferenzialmente nella parte occidentale dei bacini oceanici tra i 25-50◦ di latitudine. Durante l’ascesa si muovono verso i poli e verso est, sperimentando una forte condensazione/sublimazione di vapore acqueo che rilascia calore latente e porta ad un aumento delle
temperature potenziali (in genere > 20 K).
Il vapore acqueo diminuisce durante la salita ed allo stesso tempo si osserva un aumento
prima del contenuto di liquido (acqua), che raggiunge il massimo a circa 700 hPa, e poi di
ghiaccio, con un massimo a 500 hPa.
La PV media mostra valori tipici troposferici vicino a 900 hPa, seguita da un aumento fino
a quasi 1 pvu a 700 hPa, e ad una diminuzione con valori inferiori a 0.5 pvu a 300 hPa. Questi
valori bassi della PV nella parte superiore della troposfera costituiscono significanti anomalie
iii
negative con ampiezze di 1-3 pvu, che possono influenzare fortemente la dinamica delle onde di
Rossby. L’evoluzione della PV nella parte inferiore della troposfera è controllata dalla vorticità
assoluta e dal gradiente verticale di riscaldamento.
Il legame tra FCC e fronti freddi, entrambi caratteristiche importanti dei cicloni extratropicali, è stato analizzato nell’emisfero sud. Entrambi, FCC e fronti vengono identificati come
oggetti situati nella parte inferiore della troposfera. Più di 2/3 dei FCC sono associati a fronti
freddi, mentre circa il 15% dei fronti è legato a FCC. Inoltre, la rilevanza dei FCC per le precipitazioni è stata stimata in base alla diminuzione dell’umidità specifica lungo le traiettorie. Le
nostre analisi evidenziano che i FCC sono molto importanti per le precipitazione in molte zone
degli extratropici. Inoltre, durante eventi di precipitazioni estremamente intense lungo le Alpi,
la frequenza dei FCC nella regione del Mediterraneo è più elevata rispetto a quella rilevata nella
climatologia.
A valle dei filamenti della PV viene favorito lo sviluppo di cicloni e di conseguenza anche
la formazione di nuovi FCC. A loro volta, i FCC generano anomalie negative della PV in
prossimità delle onde di Rossby, causandone un’amplificazione ed un evenutale rottura. Per
mezzo di un algoritmo basato sull’identificazione di oggetti in 4D, filamenti della PV e i FCC
sono stati seguiti durante il loro intero ciclo di vita. I filamenti della PV sono nove volte più
frequenti dei FCC. L’interazione di questi due fenomeni, rivela che circa il 60% dei FCC sono
collegati a filamenti di PV, mentre il 7% dei filamenti interagisce con un FCC.
Infine, nell’ultima parte di questa tesi, è stata analizzata la qualità delle previsione dei FCC,
utilizzando una tecnica che si basa sul riconoscimento di oggetti, PAL. Il termine P misura
la differenza dell’anomalia della PV (calcolata sottraendo i valori della PV lungo le traiettorie
dalla media climatologica nella stessa posizione) tra previsioni e analisi. A fornisce informazioni sull’ampiezza dell’errore, cioè, sul numero di traiettorie identificate, mentre gli errori
nella posizione sono rappresentati dal temine L. Sono stati analizzati tre inverni e diversi tempi di esecuzione. I risultati mostrano che le previsioni migliorano con il diminuire del tempo
di esecuzione e con l’utilizzo di versioni più recenti del modello. Per la versione più vecchia
(2002/2003) si osserva una leggera sovrastima dell’ampiezza dei FCC nelle previsioni, mentre
per la stagione 2006/2007 una maggioranza di valori P negativi è stata riscontrata, indicando un’anomalia della PV troppo debole nelle previsioni. Anche se con il modello più recente
(2010/2011) non vengono osservati sistematicamente sotto- o sovrastime dei FCC, si riscontrano errori notevoli (> ±0,5) sia nell’ampiezza che nell’intensità delle anomalie della PV.
In parecchi casi, grandi errori nelle previsioni dei FCC sono connessi alla scarsa qualità della
previsione della struttura della PV nella regione della tropopausa.
iv