E-WP4 - STOC: Sturm-Ozean-Wechselwirkungen

Während der ersten Phase von MiKlip wurde für die Sturm- und Zyklonenhäufigkeiten über dem Nordatlantik eine signifikante positive Vorhersagegüte in den probabilisitischen Vorhersagen gefunden. Diese positive Vorhersagegüte gibt es sowohl gegenüber den klimatologischen Vorhersagen als auch gegenüber uninitialisierten, historischen Simulationen (Kruschke et al., 2015). Das STOC (STorm OCean Interaktion)-Projekt zielt auf ein besseres Verständnis der Mechanismen, die zu dieser Vorhersagegüte führen. Vieljährige Schwankungen im Ozean sind eine Basis für dekadische Vorhersagen, und es ist bekannt, dass eine Verstärkung der meridionalen Umwälzbewegung im Atlantik eine erhöhte Baroklinität induziert, was die Entwicklung europäischer Stürme begünstigt (Nissen et al., 2014).  Das Projekt untersucht die Beziehung zwischen dem Zustand des Ozeans, hier insbesondere des Nordatlantiks, und europäischen Stürmen im dekadischen Vorhersagesystem MiKliP. 

Für die Sturmentwicklung relevante ozeanische Variable und damit verbundene Zeitskalen werden identifiziert und dienen als Grundlage für die Modellvalidierung bezüglich jener ozeanischen Prozesse, die zur Entwicklung Europäischer Stürme  beitragen (Kooperation mit dem Projekt VALOCEAN). STOC analysiert, inwieweit die Wiedergabe der identifizierten, ozeanischen Prozesse im Vorhersagesystem die Vorhersagegüte europäischer Stürme und außertropischer Zyklonen beeinflusst. Das führt zu einem besseren Verständnis und zu einer besseren Kommunikation der Vorhersagegüte des operationellen Vorhersagesystems bzgl. Winterstürmen, und eröffnet die Möglichkeit, Ozeanzustände zu identifizieren, die zu einer höheren Vorhersagegüte führen.

STOC Teaser Bild

Ziele

Das Ziel von STOC ist es, die Wechselwirkungen zwischen dem Ozeanzustand und der Aktivität von europäischen Winterstürmen auf dekadischer Zeitskala zu analysieren. Damit trägt STOC zu prozessorientierten Studien zur Güte dekadischer Sturmvorhersagen bei. Es zielt darafu ab, relevante Ozeanparameter und Zustände des Nordatlantiks, die die Entwicklung von Winterstürmen auf dekadischer Zeitskala begünstigen, zu definieren. Diese Prozesse sollen sowohl in beobachtungsnahen Datensätzen als auch im MiKlip-Modellsystem identifiziert werden. Für das Zentrale Evaluierungssystem werden Plug-Ins zur Berechnung beteiligter Größen implementiert. Die Ergebnisse fließen in die stratifizierte Verifikation von Wintersturmvorhersagen ein und somit trägt STOC zum besseren Verständnis und zur Verbesserung des operationellen MiKlip-Systems bei. Im Einzelnen werden folgende drei Projektziele verfolgt:

1. Atmosphäre-Ozean-Wechselwirkungen in Reanalyse-Datensätzen
Der Reanalyse-Datensatz „20th century reanalysis“ (20CR) wird bezüglich Ozean-Sturm-Wechselwirkungen im Nordatlantischen Raum ausgewertet. Aufgrund der beschränkten ozeanischen Parameter dieser Reanalyse beziehen sich die Wechselwirkung hier ausschließlich auf Meeresoberflächentemperaturen. Ozean-Sturm-Wechselwirkungen gibt es auf verschiedenen Zeitskalen (Nissen et al., 2014), und diese sind potentiell modellabhängig. Zeitskalen der Kovariabilitäten und damit verbundene Muster in den Meeresoberflächentemperaturen werden identifiziert. In Kooperation mit VALOCEAN wird das MiKlip-Modell-System bezüglich ozeanischer Mechanismen, die zu sturmrelevanten Mustern in den Meeresoberflächentemperaturen führen, validiert.

2. Atmosphäre-Ozean-Wechselwirkungen im Erdsystemmodell MPI-ESM
Ozean-Sturm-Wechselwirkungen werden in der vorindustriellen Kontrollsimulation des Klimamodells MPI-ESM untersucht. Im Fokus steht dabei die Beziehung zwischen der Verstärkung der meridionalen Umwälzbewegung im Atlantik und der Häufigkeit europäischer Stürme auf der dekadischen Zeitskala. Kovariabilitäten von ozeanischer Parameter und dem Auftreten von Winterstürmen werden für verschiedene Zeitskalen analysiert und mit der beobachteten Beziehung verglichen.

3. Analyse der Vorhersagegüte für Winterstürmen in den dekadischen Hindcasts
Die vorherige Ergebnisse werden miteinander in Verbindung gebracht und geprüft, inwieweit die gefundenen ozeanischen Prozesse zu einer dekadischen Vorhersagbarkeit europäischer Stürme führen; zusammen mit dem Projekt VALOCEAN werden die initialisierten dekadischen Hindcasts auf das Vorhandensein dieser ozeanischen Prozesse untersucht. Basierend auf dem im Projekt ECO entwickelten Konzept, wird eine stratifizierte Verifikation für europäische Winterstürme entlang relevanter ozeanischer Parameter durchgeführt.

Bisheriger Fortschritt

Die Variabilität Europäischer Winterstürme wurde auf verschiedenen Frequenzbändern untersucht. Für Osteuropa wurde sowohl für das Frequenzband 3-5 Jahre, als auch für 6-15 Jahre eine Analyse der Sturmhäufigkeiten durchgeführt. Die Sturmfrequenzen wurden mit den Nord-Atlantischen (NA) Meeresoberflächentemperaturen (SST) korreliert. Es konnte festgestellt werden, dass für beide Frequenzbänder die Sturmhäufigkeit mit einer Erhöhung des meridionalen Temperaturgradienten im NA in Verbindung steht.

Statistisch signifikante Kovariabilität verschiedener mariner Indizes und Sturmhäufigkeiten konnte für jährliche marine Indizes, die die Position und den Status des nordatlantischen subpolaren Wirbels beschreiben, gefunden werden, so ist zum Beispiel die Lage der marinen Subpolarfront mit der Häufigkeit von Windstürmen in Zentralasien in der darauffolgenden Sturmsaison statistisch verbunden.

Referenzen

Kruschke, T., Rust, H., Kadow, C., Müller, W., Pohlmann, H., Leckebusch, G., and Ulbrich, U., 2015: Probabilistic evaluation of northern hemisphere winter storm frequencies in the miklip decadal prediction system. Meteorol. Z., under revision.

Nissen, K. M, U. Ulbrich, G. C. Leckebusch, and I. Kuhnel, 2014: Decadal windstorm activity in the North Atlantic-European sector and its relationship to meridional overturning circulation in an ensemble of simulations with a coupled climate model, Clim. Dyn, 43, 1545-1555, doi: 10.1007/s00283-013-1975-6

Kontakt

Freie Universität Berlin, Institut für Meteorologie
Prof. Dr. U. Ulbrich
Prof. Dr. H. Rust
Dipl.-Math. I. Höschel