- Titel
- Lagrangian Studies of Arctic Air Mass Transformations During Warm Air Intrusions and Cold Air Outbreaks
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:15-qucosa2-951326
- Datum der Einreichung
- 21.06.2024
- Datum der Verteidigung
- 14.11.2024
- Abstract (DE)
- In den letzten 30-40 Jahren hat sich das arktische Klimasystem dramatisch verändert. Phänomene wie der schnelle Rückgang des arktischen Meereises und die beschleunigte Zunahme der oberflächennahen Lufttemperaturen sind wesentliche Kennzeichen der arktischen Verstärkung des Klimawandels, verursacht durch verschiedene Rückkopplungsmechanismen. Der polwärts gerichtete Transport latenter Wärme, hauptsächlich durch Warmlufteinschübe (WLE), hat deutlich zugenommen. In entgegengesetzter Richtung bezeichnen marine Kaltluftausbrüche (KLA) den südwärts gerichteten Transport kalter und trockener arktischer Luftmassen. Sowohl WLE als auch KLA haben große Auswirkungen auf das arktische Klimasystem, doch ihre begleitenden Luftmassentransformationen sind noch nicht vollständig verstanden und quantifiziert. Um diese Lücke zu schließen, kombiniert diese kumulative Dissertation neuartige Lagrange’sche (Luftmassen-folgende) Trajektoranalysen mit atmosphärischen Reanalysen und Beobachtungen von drei kürzlich durchgeführten arktischen Expeditionen. In Paper I (Kirbus et al., 2023a) wird ein WLE Mitte April 2020 analysiert. Messungen der Expedition Multidisciplinary Drifting Observatory for the Study of Arctic Climate (MOSAiC) zeigen einen raschen Anstieg der 2-m Lufttemperatur um etwa 30K in zwei Tagen und einen anomalen Erwärmungseffekt auf das Energiebudget der Oberfläche. In einem neuen methodischen Ansatz wird die Entwicklung nahezu aller Luftmassen, welche über MOSAiC enden, sowie die relevanten Prozesse und Luftmassentransformationen ausgewertet. Für Paper II (Kirbus et al., 2023b) wird ein komplexer KLA im Herbst 2020 erforscht. Die gleiche Luftmasse wurde zuerst in der Zentralarktis durch MOSAiC und zwei Tage später in der eisfreien Framstraße durch die Kampagne MOSAiC Airborne observations in the Central Arctic (MOSAiC-ACA) beobachtet. Eine atmosphärische Reanalyse wird genutzt, um die zeitliche Entwicklung der Luftmasse nachzuvollziehen. Darüber hinaus werden Temperatur- und Feuchtetendenzen genutzt, um die Luftmassentransformationen während des Drifts zu untersuchen. Entgegen der Erwartung werden diese Transformationen nicht nur durch Oberflächenveränderungen (Meereis zu offenem Ozean) beeinflusst, sondern auch durch differentielle Advektion von Wolken und Wasserdampf. Die Bedeutung von Windscherung und vertikaler Interaktionen wird hervorgehoben. Paper III (Kirbus et al., 2024a) untersucht einen intensiven KLA während der HALO-(AC)³-Kampagne im Frühjahr 2022. Die praktizierte quasi-Lagrange’sche Flugstrategie erlaubt die Quantifizierung der diabatischen Erwärmung, Feuchteaufnahme und gleichzeitigen Wolkenentwicklung entlang des KLA. Durch den Vergleich von zwei Reanalysenprodukten mit den Beobachtungen werden Herausforderungen bei der Darstellung der Randeiszone, des turbulenten Wärmeflusses, sowie von Wolken- und Niederschlagsbildung aufgedeckt. Abschließend wird die quasi-Lagrange’sche Auswertung auf die gesamte HALO-(AC)³-Kampagne ausgedehnt, was zu einem umfangreichen Datensatz von mehrfach beobachteten Luftmassen führt (Kirbus et al., 2024b,c). Ergebnisse aus Paper IV (Wendisch et al., 2024) geben einen statistischen Überblick über diese quasi-Lagrange’schen matches, sowie über diabatische Erwärmung/Abkühlung und Feuchtigkeitsänderungen innerhalb arktischer WLE und KLA.
- Abstract (EN)
- In the last 30-40 years, the Arctic climate system has undergone dramatic changes. Phenomena like the rapid decline of Arctic sea ice and enhanced increase of near-surface air temperatures compared to the globe are key signatures of the Arctic amplification of climate change, caused by various local and remote feedback mechanisms. Poleward transport of latent heat, primarily through episodic warm and moist air intrusions (WAIs), has increased considerably. In opposite direction, marine cold air outbreaks (CAOs) denote the southward transport of cold and dry Arctic air masses. Both WAIs and CAOs have large impacts on the Arctic climate system, yet their accompanying air mass transformations are not fully understood and quantified. To investigate the mechanisms shaping WAIs and CAOs, this cumulative dissertation combines novel Lagrangian (air mass following) trajectory analysis with atmospheric reanalyses and observations from three recent Arctic expeditions. In Paper I (Kirbus et al., 2023a), an intense WAI occurring in mid-April 2020 is analyzed. Measurements from the Multidisciplinary Drifting Observatory for the Study of Arctic Climate (MOSAiC) expedition show a rapid rise of the 2-m air temperature by about 30K within two days, and an anomalous heating effect on the surface energy budget (SEB). A novel methodological approach is developed to investigate the air mass pathways during the WAI, tracing the evolution and transformation mechanisms of virtually all air masses ending above the MOSAiC site. The impact of the WAI on the SEB is investigated based on reanalysis data and observations both during the poleward drift, as well as at the MOSAiC site. For Paper II (Kirbus et al., 2023b), a complex CAO occurring in autumn 2020 is explored, where the same air mass was first observed in the central Arctic during MOSAiC, and then two days later over the ice-free waters of Fram Strait as part of the MOSAiC Airborne observations in the Central Arctic (MOSAiC-ACA) campaign. The temporal evolution of the air mass is traced using reanalysis output, while reanalysis-derived temperature and humidity tendencies are utilized to explore the air mass transformations along the pathway. Contrary to expectations, the air mass transformations are not solely driven by surface changes from sea ice to open ocean, but also impacted by differential advection of clouds and water vapor across the near-surface flow. The relevance of wind shear and vertical interactions is therefore highlighted. Paper III (Kirbus et al., 2024a) investigates a strong Arctic CAO observed during the HALO-(AC)³ campaign in spring 2022. For the first time, airborne observations gathered using a dedicated quasi-Lagrangian flight strategy enable a quantification of diabatic heating, moisture uptake, and concurrent cloud evolution along a CAO. By confronting two reanalysis products with the observations, their challenges with representing the marginal sea-ice zone, surface turbulent heat fluxes, clouds, and precipitation are revealed. Finally, the quasi-Lagrangian analysis is extended to the whole HALO-(AC)³ campaign, resulting in a large dataset of matching air masses (Kirbus et al., 2024b,c). Paper IV (Wendisch et al., 2024) provides a statistical overview of these quasi-Lagrangian matches, as well as of diabatic heating/cooling and moisture changes within Arctic WAIs and CAOs.
- Freie Schlagwörter (EN)
- Arctic meteorology, Lagrangian, trajectory analysis
- Klassifikation (DDC)
- 530
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Universität Leipzig, Leipzig
- Version / Begutachtungsstatus
- angenommene Version / Postprint / Autorenversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:15-qucosa2-951326
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 10.01.2025
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Englisch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY 4.0- Inhaltsverzeichnis
Overview of Research Articles by Benjamin Kirbus Contributions of Benjamin Kirbus to Papers I-IV Supervision Statement 1 Air Mass Transformations in a Changing Arctic Climate System 1.1 Arctic Amplification 1.1.1 Arctic Climate Changes 1.1.2 Feedback Mechanisms 1.1.3 Role of Meridional Transport 1.2 Warm and Moist Air Intrusions 1.3 Marine Cold Air Outbreaks 1.4 Research Questions 2 Methods 2.1 Observations 2.1.1 Shipborne Measurements 2.1.2 Airborne Measurements 2.2 Trajectory Calculations 2.2.1 Eulerian versus Lagrangian Viewpoints 2.2.2 Trajectory Models 2.2.3 Challenges and Mitigation Strategies 2.3 Reanalysis Data 2.3.1 ERA5 2.3.2 CARRA 3 Results 3.1 Paper I – Pathways and Governing Processes of an Arctic WAI Observed During MOSAiC 3.1.1 Motivation and Methods 3.1.2 Impacts at the MOSAiC Site 3.1.3 Investigation of Air Mass Pathways 3.2 Paper II – An Autumn CAO Forced by Surface Changes and Vertical Interactions Through Advection in Higher Altitudes 3.2.1 Motivation and Methods 3.2.2 Thermodynamic and Cloud Evolution 3.2.3 Investigation of the Transformation Processes and Vertical Interactions 3.3 Paper III – Quasi-Lagrangian Thermodynamic and Cloud Evolution From Observations Compared to Reanalyses 3.3.1 Motivation and Methods 3.3.2 Spatial Overview and Thermodynamic Profiles 3.3.3 Diabatic Heating and Moistening 3.4 Paper IV – Observed Diabatic Heating/Cooling and Moisture Changes During All WAIs and CAOs of HALO-(AC)³ 3.4.1 Motivation and Methods 3.4.2 Statistics on Matching Trajectories 3.4.3 Diabatic Heating/Cooling and Moisture Changes in WAIs and CAOs 4 Summary and Outlook References List of Abbreviations List of Symbols List of Figures List of Tables Acknowledgments Curriculum Vitae Appendix A: Paper I Appendix B: Paper II Appendix C: Paper III Appendix D: Paper IV