Authors:	Teubler, Franziska
Title:	Dynamik von Rossbywellenpaketen aus einer quantitativen PV-Perspektive
Online publication date:	21-Nov-2018
Year of first publication:	2018
Language:	german
Abstract:	Rossbywellenpakete sind ein wichtiger Bestandteil der Dynamik in den mittleren Breiten und können insbesondere Vorläufer von Schwerwetterereignissen sein. Es wird davon ausgegangen, dass sich Rossbywellenpakete positiv auf die Vorhersagbarkeit auswirken, da sie in hohem Maße durch balancierte Dynamik beschrieben werden können. Neuere Studien haben jedoch gezeigt, dass diabatische Prozesse, insbesondere Feuchtprozesse, die Amplitude und Ausbreitung von Wellenpaketen beeinflussen können und so Unsicherheiten in den Vorhersagemodellen entstehen, die sich stromabwärts ausbreiten. In dieser Arbeit wird eine Diagnostik entwickelt und angewandt, die einen Beitrag zu einem besseren Verständnis dieser immanenten Unsicherheiten leisten kann. Rossbywellenpakete werden in dieser Arbeit als Anomalien der potentiellen Vorticity (PV) auf isentropen Flächen, die die Tropopause schneiden, identifiziert. Diese Betrachtungsweise wurde gewählt, da die PV nicht nur eine intuitive Beschreibung der Dynamik ermöglicht, sondern gerade auch die Vorhersagefehler der PV entlang der Tropopause maximal werden. Mit Hilfe dieser Schlüsselgröße lässt sich die Dynamik der Atmosphäre vollständig in vier Prozesse unterteilen, die im Kontext der Rossbywellendynamik in dieser Arbeit erstmals quantifiziert werden. Die Gruppenausbreitung eines Rossbywellenpaketes wird durch einen quasi-barotropen Ausbreitungsmechanismus beschrieben. Findet außerdem eine Wechselwirkung mit der Dynamik in der unteren Atmosphäre statt, wird das Wellenpaket durch barokline Wechselwirkung modifiziert. Die Entwicklung der Anomalien durch quasi-barotrope Ausbreitung und barokline Wechselwirkung wird durch das bekannte Konzept der baroklinen Entwicklung stromabwärts beschrieben. Zusätzlich werden in dieser Arbeit divergentes Ausströmen in der Höhe und direkte diabatische Modifikation untersucht. Besonders ausgeprägtes divergentes Ausströmen ist in hohem Maße mit dem Freisetzen latenter Wärme unterhalb des Ausströmens verbunden und kann daher als indirekt diabatisch betrachtet werden. In dieser Arbeit wird eine Diagnostik entwickelt, die diese Prozesse unterteilt und ihren relativen Einfluss auf die Entwicklung von Wellenpaketen quantifiziert. Insbesondere die relative Wichtigkeit der diabatischen Prozesse kann durch die neu entwickelte Diagnostik schärfer erfasst werden als mit existierenden Methoden. Die entwickelte Diagnostik wird in dieser Arbeit auf drei Fallstudien von Wellenpaketen angewandt. Um die dabei gefundenen Ergebnisse mit Hilfe vieler Wellenpakete zu untermauern, wird abschließend eine Composite-Analyse relativ zur maximalen Amplitude durchgeführt. Barokline Entwicklung stromabwärts ist ein wichtiger Prozess für die Amplitudenentwicklung, wird jedoch durch starkes divergentes Ausströmen in der Höhe beeinflusst. Innerhalb der Composite-Analyse ist divergentes Ausströmen sogar der dominante Prozess für die Verstärkung der Rücken und Abschwächung der Tröge. Da der divergente Einfluss in hohem Maß durch Feuchtprozesse verstärkt wird, reicht balancierte Dynamik nicht aus, um die Entwicklung des Wellenpaketes zu beschreiben. Direkte diabatische Modifikation spielt hingegen eine untergeordnete Rolle für die Amplitudenentwicklung. Die relative Wichtigkeit der verschiedenen Prozesse zwischen den einzelnen Anomalien ist jedoch einer großen Variabilität unterworfen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, wie wichtig es ist divergentes Ausströmen und damit das Freisetzen latenter Wärme in numerischen Vorhersagemodellen möglichst korrekt zu repräsentieren, um die Vorhersagbarkeit von Rossbywellenpaketen und den damit verbundenen Wetterereignissen zu verbessern. Rossby wave packets (RWPs) are a fundamental ingredient of midlatitude dynamics and can constitute precursors to high-impact weather events. It is often assumed that RWPs, as large-scale flow features obeying balanced dynamics, exhibit a large degree of predictability. Recent work, however, has shown that diabatic processes, in particular moist processes, can modify the amplitude and propagation of RWPs.This impact can lead to an increased forecast uncertainty, which may compromise medium-range predictability in the downstream region. As a contribution to an improved understanding of these inherent uncertainties, a framework is developed and employed in this work to quantify different processes governing RWP evolution. RWPs are identified as anomalies of potential vorticity (PV) on isentropic levels intersecting the mid-latitude tropopause. The utilization of PV allows an intuitive description of mid-latitude dynamics. Furthermore, PV errors are maximised along the mid-latitude tropopause. This PV framework allows to fully separate the dynamics into four processes which are quantified in the context of RWP dynamics for the first time. The group propagation of RWPs is described by a qusi-barotropic propagation mechanism. The RWP is also modified by baroclinic growth if there exists an interaction with low-level dynamics. The evolution of anomalies by quasi-barotropic propagation and baroclinic growth constitute the well-known concept of baroclinic downstream development. In this work diverent outflow and direct diabatic modification are investigated additionally. Arguably, prominent upper-tropospheric divergent flow is associated to a large extent with latent heat release below and can thus be considered as an indirect diabatic impact. Here a diagnostic is developed which separates the aforementioned processes and quantifies their relative impact on RWP evolution. The newly developed diagnostic is more apt to quantify the relative importance of diabatic processes as existing methods. Case studies of three RWPs and a composite-analysis based on the maximal strength of the individual anomalies are performed. In general, baroclinic downstream development is an important process for the amplitude evolution but it is strongly modified by divergent outflow. The composite analysis even reveals a first-order impact of upper-level divergent flow for the amplification of ridges and the decay of troughs. Since divergent outflow is invigorated to a large degree by moist processes, balanced dynamics are not capable to fully describe the evolution of RWPs. Direct diabatic PV modification makes a subordinate contribution to the evolution. The relative importance of the different processes exhibits considerable variability between individual troughs and ridges. The results of this work demonstrate the importance of a precise representation of divergent outflow and thus latent heat release in numerical weather prediction models for the predictability of RWPs and their associated smaller-scale weather features.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics
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-1197
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000023854
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	i, 148 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen