@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}
}
@phdthesis{Sommerfeld2015,
  author    = {Sommerfeld, Anja},
  title     = {Quantification of internal variability of the arctic summer atmosphere based on HIRHAM5 ensemble simulations},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-85347},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {VII, 110, vi},
  year      = {2015},
  abstract  = {The non-linear behaviour of the atmospheric dynamics is not well understood and makes the evaluation and usage of regional climate models (RCMs) difficult. Due to these non-linearities, chaos and internal variability (IV) within the RCMs are induced, leading to a sensitivity of RCMs to their initial conditions (IC). The IV is the ability of RCMs to realise different solutions of simulations that differ in their IC, but have the same lower and lateral boundary conditions (LBC), hence can be defined as the across-member spread between the ensemble members. For the investigation of the IV and the dynamical and diabatic contributions generating the IV four ensembles of RCM simulations are performed with the atmospheric regional model HIRHAM5. The integration area is the Arctic and each ensemble consists of 20 members. The ensembles cover the time period from July to September for the years 2006, 2007, 2009 and 2012. The ensemble members have the same LBC and differ in their IC only. The different IC are arranged by an initialisation time that shifts successively by six hours. Within each ensemble the first simulation starts on 1st July at 00 UTC and the last simulation starts on 5th July at 18 UTC and each simulation runs until 30th September. The analysed time period ranges from 6th July to 30th September, the time period that is covered by all ensemble members. The model runs without any nudging to allow a free development of each simulation to get the full internal variability within the HIRHAM5. As a measure of the model generated IV, the across-member standard deviation and the across-member variance is used and the dynamical and diabatic processes influencing the IV are estimated by applying a diagnostic budget study for the IV tendency of the potential temperature developed by Nikiema and Laprise [2010] and Nikiema and Laprise [2011]. The diagnostic budget study is based on the first law of thermodynamics for potential temperature and the mass-continuity equation. The resulting budget equation reveals seven contributions to the potential temperature IV tendency. As a first study, this work analyses the IV within the HIRHAM5. Therefore, atmospheric circulation parameters and the potential temperature for all four ensemble years are investigated. Similar to previous studies, the IV fluctuates strongly in time. Further, due to the fact that all ensemble members are forced with the same LBC, the IV depends on the vertical level within the troposphere, with high values in the lower troposphere and at 500 hPa and low values in the upper troposphere and at the surface. By the same reason, the spatial distribution shows low values of IV at the boundaries of the model domain. The diagnostic budget study for the IV tendency of potential temperature reveals that the seven contributions fluctuate in time like the IV. However, the individual terms reach different absolute magnitudes. The budget study identifies the horizontal and vertical 'baroclinic' terms as the main contributors to the IV tendency, with the horizontal 'baroclinic' term producing and the vertical 'baroclinic' term reducing the IV. The other terms fluctuate around zero, because they are small in general or are balanced due to the domain average. The comparison of the results obtained for the four different ensembles (summers 2006, 2007, 2009 and 2012) reveals that on average the findings for each ensemble are quite similar concerning the magnitude and the general pattern of IV and its contributions. However, near the surface a weaker IV is produced with decreasing sea ice extent. This is caused by a smaller impact of the horizontal 'baroclinic' term over some regions and by the changing diabatic processes, particularly a more intense reducing tendency of the IV due to condensative heating. However, it has to be emphasised that the behaviour of the IV and its dynamical and diabatic contributions are influenced mainly by complex atmospheric feedbacks and large-scale processes and not by the sea ice distribution. Additionally, a comparison with a second RCM covering the Arctic and using the same LBCs and IC is performed. For both models very similar results concerning the IV and its dynamical and diabatic contributions are found. Hence, this investigation leads to the conclusion that the IV is a natural phenomenon and is independent from the applied RCM.},
  language  = {en}
}