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The radiative impact of clouds on idealized extratropical cyclones
Klara Butz
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Meteorologie
Betreuer*in
Aiko Voigt
DOI
10.25365/thesis.71895
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-22064.01629.415576-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Außertropische Zyklonen steuern das tägliche Wetter in den mittleren Breiten. Diese Zyklonen werden durch diabatische Prozesse wie latentes Heizen oder kurz- und langwellige Strahlung beeinflusst. Der Einfluss von Strahlungsprozessen, insbesondere jener der Wolkenstrahlung, auf die Entwicklung außertropischen Zyklonen wurde bisher jedoch kaum untersucht. Durch Simulationen idealisierter barokliner Lebenszyklen mit dem globalen Atmosphärenmodell ICON-NWP in einem Aquaplaneten-Setup mit vorgeschriebenen Meeresoberflächentemperaturen untersuche ich den Einfluss des Wolkenstrahlungsheizens auf außertropische Zyklonen. Ich verwende sechs verschiedene Simulationen, um nicht nur den Gesamteinfluss des Wolkenstrahlungsheizens zu erforschen, sondern auch, um die Auswirkungen von isoliertem Wolkenstrahlungsheizen in der planetaren Grenzschicht und der freien Troposphäre zu charakterisieren. Dies erreiche ich, indem ich das Wolkenstrahlungsheizen des Modells unterhalb oder oberhalb einer bestimmten Höhe auf null setze, bevor sie an den dynamischen Kern weitergegeben wird. Um die Robustheit der Ergebnisse zu testen, vergleiche ich die Auswirkungen des Wolkenstrahlungsheizens zwischen den Modellversionen ICON 2.1 und 2.6. Wenn das Strahlungsschema ausgeschaltet ist, erzeugen beide Modellversionen ähnliche Zyklonen. Die Aktivierung des Wolkenstrahlungsheizens führt zu gegensätzlichen Auswirkungen auf die Zyklonen. ICON 2.1 zeigt eine Abschwächung der Zyklonen durch Wolkenstrahlungsheizen, während ICON 2.6 stärkere Zyklonen erzeugt, wenn Wolkenstrahlungsheizen aktiv ist. Die Spitzenwerte der Eddy-kinetischen Energie (EKE) auf 300 hPa werden durch Wolkenstrahlungsheizen in ICON 2.1 um bis zu 11% gedämpft. In ICON 2.6 erhöht Wolkenstrahlungsheizen den Spitzenwert der EKE bei 300 hPa um bis zu 7%. Eine weitere Analyse zeigt, dass Wolken in der Grenzschicht eine stark abschwächende Wirkung haben und Wolken in der freien Troposphäre die Zyklone in beiden Modellversionen stärken. Da die ICON 2.1-Simulationen mehr tief liegende Wolken erzeugen, dominiert die abschwächende Wirkung. Tiefliegende Wolken sind in ICON 2.6 weniger stark ausgeprägt, was zu einer allgemeinen Verstärkung der Zyklone führt. Die sich daraus ergebende Auswirkung des Wolkenstrahlungsheizens hängt also von der vertikalen Verteilung der Wolken ab. Diese neuen Erkenntnisse unterstreichen die Bedeutung des Wolkenstrahlungsheizens für die Zyklonendynamik. In dieser Studie zeige ich, wie Unterschiede in der Verteilung von Wolken und ihre Strahlungseffekte zu unterschiedlichen Entwicklungen der Zyklone führen. Weitere Untersuchungen anhand von idealisierten und realistischen Fallstudien sind erforderlich, um ein dynamisches Verständnis für die Auswirkungen des Wolkenstrahlungsheizens von niedrigen und hohen Wolken auf Zyklonen zu erlangen.
Abstract
(Englisch)
Extratropical cyclones are the main driver of everyday weather in the mid-latitudes. These cyclones are affected by diabatic processes such as latent heating and radiation. However, the impact of radiative processes, especially cloud-radiation interaction, on the evolution of extratropical cyclones has hardly been investigated so far. By performing idealized baroclinic life cycle simulations with the global atmosphere model ICON-NWP in an aquaplanet setup with prescribed sea surface temperatures, I study the impact of cloud-radiative heating (CRH) on extratropical cyclones. Six different simulation setups are used to not only isolate the overall impact of CRH but also to distinguish the impact of isolated CRH in the boundary layer and free troposphere. This is achieved by setting the model's cloud-radiative heating below or above a certain altitude to zero before passing them to the dynamical core. To test the robustness of the results, the CRH impact is compared between model versions ICON 2.1 and 2.6. When the radiation scheme is turned off, both model versions produce similar cyclones. Enabling cloud-radiative heating leads to contradicting impacts on the cyclones. ICON 2.1 shows cyclone weakening due to CRH, while ICON 2.6 produces stronger cyclones when CRH is active. Peak eddy kinetic energy (EKE) at 300 hPa is damped by up to 11% due to CRH in ICON 2.1. In ICON 2.6, CRH increases peak EKE at 300 hPa by up to 7%. Further analysis shows that low-level clouds have a robust weakening impact, and high-level clouds strengthen the cyclone in both model versions. Since ICON 2.1 simulations produce more low-level clouds, the weakening impact dominates. Low-level clouds are less pronounced in ICON 2.6, leading to an overall strengthening of the cyclone. The resulting CRH impact, therefore, depends on the vertical distribution of clouds. These new insights highlight the importance of CRH for cyclone dynamics. In this study, I show how the differences in the distribution of clouds and their radiative effects result in different cyclone evolution. Further studies via idealized and real case studies are required to gain a dynamical understanding of the CRH impact on cyclones from low-level and high-level clouds.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
außertropische Zyklonen Wolkenstrahlungsheizen Wolkenstrahlung ACRE barokliner Lebenszyklus
Schlagwörter
(Englisch)
extratropical cyclones cloud-radiative heating cloud radiation ACRE CRE baroclinic life cycle
Autor*innen
Klara Butz
Haupttitel (Englisch)
The radiative impact of clouds on idealized extratropical cyclones
Paralleltitel (Deutsch)
Auswirkungen des Wolkenstrahlungsheizens auf idealisierte außertropische Zyklonen
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
62 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Aiko Voigt
AC Nummer
AC16593523
Utheses ID
63718
Studienkennzahl
UA | 066 | 614 | |