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Corrected energy fluxes as evaluated from reanalysis data
Michael Mayer
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Betreuer*in
Leopold Haimberger
DOI
10.25365/thesis.10602
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30156.63894.789753-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Vertikal integrierte Haushaltsgleichungen des totalen atmosphärischen Energiegehalts, insbesondere
die horizontale Energieflussdivergenz, sind ein wertvolles Mittel zur Klimadiagnostik. Unter
der Verwendung von Reanalysedaten kann die horizontale Energieflussdivergenz auf zwei verschiedene
Arten berechnet werden. Die direkte Methode berechnet sie aus den Feldern von
Temperatur, Feuchte, Druck und Wind. Dies ist ein intuitiver Ansatz, leidet aber unter relativ
geringer zeitlicher Auflösung und Problemen des Vorhersagemodells mit der Massenkonsistenz.
Zeitlich gemittelte Felder von Bodendruckvorhersagen zeigen diese Unzulänglichkeit deutlich,
da die lokalen Drucktendenzen nicht verschwinden. Diese fehlerhaften Massenflussdivergenzen
beeinflussen auch die Energieflussdivergenzen. Die analysierte Bodendrucktendenz kann zur
Korrektur der fehlerhaften Vergenzen verwendet werden.
Die indirekte Methode berechnet die Energieflussdivergenzen als Residual aus den zwölfstündigen
Vorhersagen für die Strahlung am Oberrand der Atmosphäre, die Bodenflüsse und die vertikal
integrierte Energietendenz. Diese Methode führt zu einem wesentlich weniger verrauschten
Ergebnis, da die vertikalen Flüsse als zeitlich akkumulierte Felder vorliegen. Auch die indirekte
Methode ist von fehlerhaften Drucktendenzen betroffen. Die Ergebnisse können wieder mit Hilfe
der analysierten Bodendrucktendenz korrigiert werden. Die berechneten Energieflussdivergenzen
zeigen ein sehr realistisches Bild und weisen wichtige klimatologische Charakteristika - wie
zum Beispiel Gebiete mit starker Energieflussdivergenz über warmen Meeresströmungen - auf.
Im nächsten Schritt nutzen wir die Tatsache, dass der rein divergente Anteil des Energieflusses
bereits den gesamten effektiven polwärtigen Energietransport darstellt. Deshalb genügt für die
Berechnung der Nettoenergieflüsse bereits das Feld der Energieflussdivergenzen. Unter Verwendung
der Kugelflächenfunktionen und nach zonaler Integration erhält man korrigierte und
unkorrigierte meridionale Energieflüsse über jeden beliebigen Breitenkreis.
Durch Überprüfung der Ergebnisse anhand klimatologischer Konsistenzüberlegungen wird
versucht, die zu den vertrauenswürdigsten Resultaten führende Methode zu finden. Mit Daten
von ’European Re-Analysis-Interim’ (ERA-Interim), aktuell verfügbar von 1989 bis 2009, wird
eine Langzeitstudie des Energie- und Feuchtehaushaltes durchgeführt. Zeitreihen der feuchten
und trockenen Energieflüsse sind insbesondere deshalb interessant, da eine Untersuchung der
für den vierten Bericht des IPCC (International Panel on Climate Change - 4th Assessment Report)
verwendeten Klimamodelle ergab, dass meridionale Energieflüsse durch die global Erderwärmung
einen signifikanten Anstieg erfahren werden. Es soll untersucht werden, ob ein derartiger
Anstieg bereits in der von ERA-Interim abgedeckten Periode erkennbar ist. Weiters
sollen ERA-Interim und ERA-40 (European 40 years Re-Analysis) verglichen werden, um die
Verbesserungen der neueren Reanalyse deutlich zu machen.
Abstract
(Englisch)
Vertically integrated budget equations of the total atmospheric energy, particularly the horizontal
energy flux divergence, are a powerful tool for climate diagnostics. Using reanalysis data, the
horizontal energy flux divergence can be computed in two ways. The direct method computes
it directly from the temperature, moisture, pressure and velocity field. This is a simple method
but the results are not very useful because of mass inconsistencies of the prediction model and
the coarse time resolution. Mass inconsistency can be seen from averaging the pressure tendencies
of the first forecast step over a longer period of time. The result is nonzero, which in
consequence leads to spurious energy flux divergences too. The mass inconsistencies can be
removed with the help of the analysed pressure field.
The indirect method computes the energy flux divergence as residual from the 12-hourly
forecasts of the energy tendency, RadTOA and Fs, which leads to much smoother fields, as
vertical fluxes are accumulated at full temporal resolution. This method also suffers from
spurious pressure tendencies, but these can again be corrected with the help of the analysed
pressure field. With this method the computed field of energy flux divergences becomes very
realistic and shows important climatological features such as regions with strong energy flux
divergence over warm ocean currents.
In the next step, we use the fact that only the purely divergent part of the meridional energy
flux leads to a net energy transport towards the Earth’s poles. So for the computation of the
net meridional energy flux only the field of energy flux divergences is needed. Using spherical
harmonics and by zonal averaging we get corrected and uncorrected meridional energy fluxes at
every latitude.
Considering several physical constraints we try to find the method leading to the most reliable
results. With the availability of the European Re-Analysis-Interim (ERA-Interim) data from
1989-2009 a long-term study is performed in order to get insight into long-time tendencies
in energy fluxes and the hydrological cycle. Time series of moist and dry energy fluxes are
particularly interesting because evaluation of the IPCC-AR4 (International Panel on Climate
Change - 4th Assessment Report) models indicates that the meridional energy fluxes will increase
significantly in future due to global warming. It shall be investigated, if such an increase is
already detectable in the period covered by ERA-Interim. Furthermore a comparison of ERAInterim
and ERA-40 (European 40 years Re-Analysis) is carried out to show the improvements
of the newer reanalysis.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
energy flux divergence reanalysis climate diagnostics
Schlagwörter
(Deutsch)
Energieflüsse Reanalyse Klimadiagnostik
Autor*innen
Michael Mayer
Haupttitel (Englisch)
Corrected energy fluxes as evaluated from reanalysis data
Paralleltitel (Deutsch)
Korrigierte Energieflüsse aus Reanalysedaten
Publikationsjahr
2010
Umfangsangabe
IV, 92 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Leopold Haimberger
Klassifikation
38 Geowissenschaften > 38.82 Klimatologie
AC Nummer
AC08203030
Utheses ID
9574
Studienkennzahl
UA | 415 | | |