@article{KayserMaturilliGrahametal.2017,
  author    = {Kayser, Markus and Maturilli, Marion and Graham, Robert M. and Hudson, Stephen R. and Rinke, Annette and Cohen, Lana and Kim, Joo-Hong and Park, Sang-Jong and Moon, Woosok and Granskog, Mats A.},
  title     = {Vertical thermodynamic structure of the troposphere during the Norwegian young sea ICE expedition (N-ICE2015)},
  series = {Journal of geophysical research-atmosheres},
  volume    = {122},
  journal   = {Journal of geophysical research-atmosheres},
  number    = {20},
  publisher = {American Geophysical Union},
  address   = {Washington},
  issn      = {2169-897X},
  doi       = {10.1002/2016JD026089},
  pages     = {10855 -- 10872},
  year      = {2017},
  abstract  = {The Norwegian young sea ICE (N-ICE2015) expedition was designed to investigate the atmosphere-snow-ice-ocean interactions in the young and thin sea ice regime north of Svalbard. Radiosondes were launched twice daily during the expedition from January to June 2015. Here we use these upper air measurements to study the multiple cyclonic events observed during N-ICE2015 with respect to changes in the vertical thermodynamic structure, moisture content, and boundary layer characteristics. We provide statistics of temperature inversion characteristics, static stability, and boundary layer extent. During winter, when radiative cooling is most effective, we find the strongest impact of synoptic cyclones. Changes to thermodynamic characteristics of the boundary layer are associated with transitions between the radiatively "clear" and "opaque" atmospheric states. In spring, radiative fluxes warm the surface leading to lifted temperature inversions and a statically unstable boundary layer. Further, we compare the N-ICE2015 static stability distributions to corresponding profiles from ERA-Interim reanalysis, from the closest land station in the Arctic North Atlantic sector, Ny-Alesund, and to soundings from the SHEBA expedition (1997/1998). We find similar stability characteristics for N-ICE2015 and SHEBA throughout the troposphere, despite differences in location, sea ice thickness, and snow cover. For Ny-Alesund, we observe similar characteristics above 1000 m, while the topography and ice-free fjord surrounding Ny-Alesund generate great differences below. The long-term radiosonde record (1993-2014) from Ny-Alesund indicates that during the N-ICE2015 spring period, temperatures were close to the climatological mean, while the lowest 3000 m were 1-3 degrees C warmer than the climatology during winter. Plain Language Summary The Norwegian young sea ICE (N-ICE2015) expedition was designed to investigate the atmosphere-snow-ice-ocean interactions in the young and thin sea ice regime north of Svalbard. Radiosondes were launched twice daily during the expedition from January to June 2015. Here we use these upper air measurements to study the multiple cyclonic events observed during N-ICE2015 with respect to changes in the vertical thermodynamic structure, moisture content, and the atmospheric boundary layer characteristics. During winter, we find the strongest impact of synoptic cyclones, which transport warm and moist air into the cold and dry Arctic atmosphere. In spring, incoming solar radiation warms the surface. This leads to very different thermodynamic conditions and higher moisture content, which reduces the contrast between stormy and calm periods. Further, we compare the N-ICE2015 measurements to corresponding profiles from ERA-Interim reanalysis, from the closest land station in the Arctic North Atlantic sector, Ny-Alesund, and to soundings from the SHEBA expedition (1997/1998). We find similar stability characteristics for N-ICE2015 and SHEBA throughout the troposphere, despite differences in location, sea ice thickness, and snow cover. The comparisons highlight the value of the N-ICE2015 observation and show the importance of winter time observations in the Arctic North Atlantic sector.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Kayser2017,
  author    = {Kayser, Markus},
  title     = {Wechselwirkung der atmosph{\"a}rischen Grenzschicht mit synoptisch-skaligen Prozessen w{\"a}hrend der N-ICE2015 Kampagne},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411124},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {147},
  year      = {2017},
  abstract  = {Die Arktis erw{\"a}rmt sich schneller als der Rest der Erde. Die Auswirkungen manifestieren sich unter Anderem in einer verst{\"a}rkten Erw{\"a}rmung der arktischen Grenzschicht. Diese Arbeit befasst sich mit Wechselwirkungen zwischen synoptischen Zyklonen und der arktischen Atmosph{\"a}re auf lokalen bis {\"u}berregionalen Skalen. Ausgangspunkt daf{\"u}r sind Messdaten und Modellsimulationen f{\"u}r den Zeitraum der N-ICE2015 Expedition, die von Anfang Januar bis Ende Juni 2015 im arktischen Nordatlantiksektor stattgefunden hat. Anhand von Radiosondenmessungen lassen sich Auswirkungen von synoptischen Zyklonen am deutlichsten im Winter erkennen, da sie durch die Advektion warmer und feuchter Luftmassen in die Arktis den Zustand der Atmosph{\"a}re von einem strahlungs-klaren in einen strahlungs-opaken {\"a}ndern. Obwohl dieser scharfe Kontrast nur im Winter existiert, zeigt die Analyse, dass der integrierte Wasserdampf als Indikator f{\"u}r die Advektion von Luftmassen aus niedrigen Breiten in die Arktis auch im Fr{\"u}hjahr geeignet ist. Neben der Advektion von Luftmassen wird der Einfluss der Zyklonen auf die statische Stabilit{\"a}t charakterisiert. Beim Vergleich der N-ICE2015 Beobachtungen mit der SHEBA Kampagne (1997/1998), die {\"u}ber dickerem Eis stattfand, finden sich trotz der unterschiedlichen Meereisregime {\"A}hnlichkeiten in der statischen Stabilit{\"a}t der Atmosph{\"a}re. Die beobachteten Differenzen in der Stabilit{\"a}t lassen sich auf Unterschiede in der synoptischen Aktivit{\"a}t zur{\"u}ckf{\"u}hren. Dies l{\"a}sst vermuten, dass die d{\"u}nnere Eisdecke auf saisonalen Zeitskalen nur einen geringen Einfluss auf die thermodynamische Struktur der arktischen Troposph{\"a}re besitzt, solange eine dicke Schneeschicht sie bedeckt. Ein weiterer Vergleich mit den parallel zur N-ICE2015 Kampagne gestarteten Radiosonden der AWIPEV Station in Ny-{\AA}esund, Spitzbergen, macht deutlich, dass die synoptischen Zyklonen oberhalb der Orographie auf saisonalen Zeitskalen das Wettergeschehen bestimmen. Des Weiteren werden f{\"u}r Februar 2015 die Auswirkungen von in der Vertikalen variiertem Nudging auf die Entwicklung der Zyklonen am Beispiel des hydrostatischen regionalen Klimamodells HIRHAM5 untersucht. Es zeigt sich, dass die Unterschiede zwischen den acht Modellsimulationen mit abnehmender Anzahl der genudgten Level zunehmen. Die gr{\"o}ßten Differenzen resultieren vornehmlich aus dem zeitlichen Versatz der Entwicklung synoptischer Zyklonen. Zur Korrektur des Zeitversatzes der Zykloneninitiierung gen{\"u}gt es bereits, Nudging in den unterstem 250 m der Troposph{\"a}re anzuwenden. Daneben findet sich zwischen den genudgten HIRHAM5-Simulation und den in situ Messungen der gleiche positive Temperaturbias, den auch ERA-Interim besitzt. Das freie HIRHAM hingegen reproduziert das positive Ende der N-ICE2015 Temperaturverteilung gut, besitzt aber einen starken negativen Bias, der sehr wahrscheinlich aus einer Untersch{\"a}tzung des Feuchtegehalts resultiert. An Beispiel einer Zyklone wird gezeigt, dass Nudging Einfluss auf die Lage der H{\"o}hentiefs besitzt, die ihrerseits die Zyklonenentwicklung am Boden beeinflussen. Im Weiteren wird mittels eines f{\"u}r kleine Ensemblegr{\"o}ßen geeigneten Varianzmaßes eine statistische Einsch{\"a}tzung der Wirkung des Nudgings auf die Vertikale getroffen. Es wird festgestellt, dass die {\"A}hnlichkeit der Modellsimulationen in der unteren Troposph{\"a}re generell h{\"o}her ist als dar{\"u}ber und in 500 hPa ein lokales Minimum besitzt. Im letzten Teil der Analyse wird die Wechselwirkung der oberen und unteren Stratosph{\"a}re anhand zuvor betrachteter Zyklonen mit Daten der ERA-Interim Reanalyse untersucht. Lage und Ausrichtung des Polarwirbels erzeugten ab Anfang Februar 2015 eine ungew{\"o}hnlich große Meridionalkomponente des Tropopausenjets, die Zugbahnen in die zentrale Arktis beg{\"u}nstigte. Am Beispiel einer Zyklone wird die {\"U}bereinstimmung der synoptischen Entwicklung mit den theoretischen Annahmen {\"u}ber den abw{\"a}rts gerichteten Einfluss der Stratosph{\"a}re auf die Troposph{\"a}re hervorgehoben. Dabei spielt die nicht-lineare Wechselwirkung zwischen der Orographie Gr{\"o}nlands, einer Intrusion stratosph{\"a}rischer Luft in die Troposph{\"a}re sowie einer in Richtung Arktis propagierender Rossby-Welle eine tragende Rolle. Als Indikator dieser Wechselwirkung werden horizontale Signaturen aus abwechselnd aufsteigender und absinkender Luft innerhalb der Troposph{\"a}re identifiziert.},
  language  = {de}
}