TY  - THES
A1  - Dahlke, Sandro
T1  - Rapid climate changes in the arctic region of Svalbard
T1  - Aktuelle Klimaänderungen in der Svalbard-Region
BT  - processes, implications and representativeness for the broader Arctic
BT  - Prozesse, Auswirkungen und Repräsentativität für die Arktis
N2  - Over the last decades, the Arctic regions of the earth have warmed at a rate 2–3 times faster than the global average– a phenomenon called Arctic Amplification. A complex, non-linear interplay of physical processes and unique pecularities in the Arctic climate system is responsible for this, but the relative role of individual processes remains to be debated. This thesis focuses on the climate change and related processes on Svalbard, an archipelago in the North Atlantic sector of the Arctic, which is shown to be a "hotspot" for the amplified recent warming during winter. In this highly dynamical region, both oceanic and atmospheric large-scale transports of heat and moisture interfere with spatially inhomogenous surface conditions, and the corresponding energy exchange strongly shapes the atmospheric boundary layer. In the first part, Pan-Svalbard gradients in the surface air temperature (SAT) and sea ice extent (SIE) in the fjords are quantified and characterized. This analysis is based on observational data from meteorological stations, operational sea ice charts, and hydrographic observations from the adjacent ocean, which cover the 1980–2016 period. It is revealed that typical estimates of SIE during late winter range from 40–50% (80–90%) in the western (eastern) parts of Svalbard. However, strong SAT warming during winter of the order of 2–3K per decade dictates excessive ice loss, leaving fjords in the western parts essentially ice-free in recent winters. It is further demostrated that warm water currents on the west coast of Svalbard, as well as meridional winds contribute to regional differences in the SIE evolution. In particular, the proximity to warm water masses of the West Spitsbergen Current can explain 20–37% of SIE variability in fjords on west Svalbard, while meridional winds and associated ice drift may regionally explain 20–50% of SIE variability in the north and northeast. Strong SAT warming has overruled these impacts in recent years, though.
In the next part of the analysis, the contribution of large-scale atmospheric circulation changes to the Svalbard temperature development over the last 20 years is investigated. A study employing kinematic air-back trajectories for Ny-Ålesund reveals a shift in the source regions of lower-troposheric air over time for both the winter and the summer season. In winter, air in the recent decade is more often of lower-latitude Atlantic origin, and less frequent of Arctic origin. This affects heat- and moisture advection towards Svalbard, potentially manipulating clouds and longwave downward radiation in that region. A closer investigation indicates that this shift during winter is associated with a strengthened Ural blocking high and Icelandic low, and contributes about 25% to the observed winter warming on Svalbard over the last 20 years. Conversely, circulation changes during summer include a strengthened Greenland blocking high which leads to more frequent cold air advection from the central Arctic towards Svalbard, and less frequent air mass origins in the lower latitudes of the North Atlantic. Hence, circulation changes during winter are shown to have an amplifying effect on the recent warming on Svalbard, while summer circulation changes tend to mask warming.
An observational case study using upper air soundings from the AWIPEV research station in Ny-Ålesund during May–June 2017 underlines that such circulation changes during summer are associated with tropospheric anomalies in temperature, humidity and boundary layer height.
In the last part of the analysis, the regional representativeness of the above described changes around Svalbard for the broader Arctic is investigated. Therefore, the terms in the diagnostic temperature equation in the Arctic-wide lower troposphere are examined for the Era-Interim atmospheric reanalysis product. Significant positive trends in diabatic heating rates, consistent with latent heat transfer to the atmosphere over regions of increasing ice melt, are found for all seasons over the Barents/Kara Seas, and in individual months in the vicinity of Svalbard. The above introduced warm (cold) advection trends during winter (summer) on Svalbard are successfully reproduced. Regarding winter, they are regionally confined to the Barents Sea and Fram Strait, between 70°–80°N, resembling a unique feature in the whole Arctic. Summer cold advection trends are confined to the area between eastern Greenland and Franz Josef Land, enclosing Svalbard.
N2  - Die Arktis hast sich über die letzten Jahrzehnte etwa 2–3 mal so schnell erwärmt wie die globale Mitteltemperatur der Erde, wofür der Begriff Arktische Verstärkung geprägt wurde. Eine komplexe Kaskade nichtlinear miteinander interagierender Prozesse und lokaler Bedingungen ist für das Auftreten dieses Phänomens verantwortlich, jedoch bleibt ein wissenschaftlicher Konsens zur Quantifizierung einzelner beteiligter Prozesse noch aus. Diese Arbeit befasst sich mit den Klimaänderungen und assoziierten Prozessen in der Svalbard-Region, einem arktischen Archipel im Nordatlantik. Svalbard kann als Brennpunkt der arktischen Veränderungen bezeichnet werden, vor allem während des Winters. In dieser ausgesprochen dynamischen Region interagieren die Energieflüsse durch großskalige atmosphärische und ozeanische Wärme- und Feuchtetransporte mit der heteorogenen Oberfläche, die sich aus Eis-, Wasser-, oder Landflächen zusammensetzt. Die daraus resultierenden horizontalen und vertikalen Energieflüsse stehen in engem Zusammenhang mit der Beschaffenheit der atmosphärischen Grenzschicht.
Im ersten Teil dieser Arbeit werden laterale Unterschiede in der Oberflächentemperatur (SAT), sowie der Meereisbedeckung (SIE) in den Fjorden und Sunden des Archipels quantifiziert und klassifiziert. Dies geschieht auf der Grundlage von meteorologischen Stationsmessdaten und operationellen Eisbedeckungskarten der Jahe 1980–2016. Es zeigt sich, dass prozentuale Eisbedeckungen im Osten des Studiengebietes typischerweise 80–90% im Winter erreichen, während diese Werte in Fjorden der Westküste mit 40–50% deutlich niedriger liegen. Allerdings bedingt eine starke, winterliche SAT Erwärmung von 2–3K pro Jahrzehnt signifikante SIE Abwärtstrends, sodass die Fjorde im Westen von Svalbard in den jüngeren Wintern üblicherweise eisfrei waren. Im Weiteren wird gezeigt dass die warmen Ozeanströmungen nahe der Westküste, sowie spezielle Windkonstellationen, einen signifikanten regionalen Einfluss auf die langzeitliche Entwicklung der Meereisbedeckung ausüben. So kann Variabilität in der Temperatur des Westspitzbergenstroms etwa 20–37% der zwischenjährlichen SIE Variabilität in den Fjorden der Westküste erklären. Die meridionale Atmosphärenströmung nordwestlich von Spitzbergen, die hochkorelliert mit Eisdrift ist, kann andererseits –regional abhängig– etwa 20–50% der SIE-Variablität in den nördlichen und nordöstlichen Fjorden erklären. Durch den starken temperaturbedingten Eisrückgang in der gesamten Region sind diese Einflüsse zuletzt jedoch stark abgeschwächt.
Im Folgenden wird der Beitrag von Zirkulationsänderungen zur Temperaturentwicklung Svalbards während der letzten 20 Jahre untersucht. Die Analyse basiert auf den Quellregionen troposphärischer Luftmassen, die sich aus kinematischen FLEXTRA-Rückwärtstrajektorien ergeben. Für den Winter zeigt sich, dass sich diese zuletzt immer häufiger in sub-arktische Gebiete über dem Nordatlantik verlagert hatten, und seltener in der hohen Arktis lagen. Dies moduliert Warmluft-, und Feuchtetransporte in Richtung Spitzbergen, und beeinflusst potentiell Wolkencharakteristiken und assoziierte Strahlungsprozesse. Nähere Untersuchen zeigen dass ein zuletzt stärker ausgeprägtes Uralhoch und Islandtief dafür verantwortlich sind, und dass dies einen Beitrag von etwa 25% zur jüngsten Wintererwärmung auf Spitzbergen hat. Sommertrajektorien offenbaren eine gegensätzliche Entwicklung, mit häufigerer Anströmung aus der Zentralarktis, welche mit Kaltluftadvektion einhergeht, auf Kosten von seltenerer Anströmung aus dem Süden. Dies liegt in einem während der letzten 10 Jahre stark ausgeprägten Grönlandhoch begründet. Eine Fallstudie anhand von Radiosondendaten vom Frühsommer 2017 untermauert die Ergebnisse und zeigt darüber hinaus, dass derartige Zirkulationsänderungen mit ausgeprägten Anomalien von troposphärischen Temperaturen,Feuchtigkeit, und der Grenzschichthöhe in Ny-Ålesund einher geht. Interessanterweise tragen Zirkulationsänderungen im Winter also verstärkend zur Erwärmung auf Svalbard bei, während jene im Sommer einer stärkeren Erwärmung entgegenwirken.
In einem letzten Analyseschritt wird die regionale Repräsentativität der Region für die weitere Arktis erörtert. Die Analyse von Era-Interim Reanalysedaten untermauert hierbei zunächst die advektiven Temperaturänderungen in Sommer und Winter in der Region um Svalbard. Der Trend zu verstärkt positiver winterlicher Temperaturadvektion ist einzigartig in der Arktis und beschränkt sich auf die Regionen zwischen Barentssee, Spitzbergen und der nördlichen Framstraße. Die sommerliche erhöhte Kaltluftadvektion findet sich in einem weiten Gebiet zwischen der Ostküste Grönlands und Franz-Josef-Land, welches Svalbard einschließt. Ein diabatischer Erwärmungstrend, der mit aufwärts gerichteten latenten Energieflüssen und Eisrückgang konsistent ist, findet sich in allen Jahreszeiten über der Barents/Karasee wieder, und erstreckt sich in einzelnen Monaten bis nach Svalbard.
KW  - arctic
KW  - climate
KW  - Svalbard
KW  - meteorology
KW  - climatology
KW  - atmosphere
KW  - Arktis
KW  - Klima
KW  - Svalbard
KW  - Meteorologie
KW  - Klimatologie
KW  - Atmosphäre
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445542
ER  - 
TY  - THES
A1  - Glushak, Ksenia
T1  - Atmospheric circulation and the surface mass balance in a regional climate model of Antarctica
T1  - Atmosphärische Zirkulation und die Massenbilanz der Oberfläche in einem regionalen Klimamodell der Antarktis
N2  - Understanding the Earth's climate system and particularly climate variability presents one of the most difficult and urgent challenges in science. The Antarctic plays a crucial role in the global climate system, since it is the principal region of radiative energy deficit and atmospheric cooling. An assessment of regional climate model HIRHAM is presented. The simulations are generated with the HIRHAM model, which is modified for Antarctic applications. With a horizontal resolution of 55km, the model has been run for the period 1958-1998 creating long-term simulations from initial and boundary conditions provided by the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) ERA40 re-analysis. The model output is compared with observations from observation stations, upper air data, global atmospheric analyses and satellite data. In comparison with the observations, the evaluation shows that the simulations with the HIRHAM model capture both the large and regional scale circulation features with generally small bias in the modeled variables. On the annual time scale the largest errors in the model simulations are the overestimation total cloud cover and the colder near-surface temperature over the interior of the Antarctic plateau. The low-level temperature inversion as well as low-level wind jet is well captured by the model. The decadal scale processes were studied based on trend calculations. The long-term run was divided into two 20 years parts. The 2m temperature, 500 hPa temperature, MSLP, precipitation and net mass balance trends were calculated for both periods and over 1958 - 1998. During the last two decades the strong surface cooling was observed over the Eastern Antarctica, this result is in good agreement with the result of Chapman and Walsh (2005) who calculated the temperature trend based on the observational data. The MSLP trend reveals a big disparity between the first and second parts of the 40 year run. The overall trend shows the strengthening of the circumpolar vortex and continental anticyclone. The net mass balance as well as precipitation show a positive trend over the Antarctic Peninsula region, along Wilkes Land and in Dronning Maud Land. The Antarctic ice sheet grows over the Eastern part of Antarctica with small exceptions in Dronning Maud Land and Wilkes Land and sinks in the Antarctic Peninsula; this result is in good agreement with the satellite-measured altitude presented in Davis (2005) . To better understand the horizontal structure of MSLP, temperature and net mass balance trends the influence of the Southern Annual Mode (SAM) on the Antarctic climate was investigated. The main meteorological parameters during the positive and negative Antarctic Oscillation (AAO) phases were compared to each other. A positive/negative AAO index means strengthening/weakening of the circumpolar vortex, poleward/northward storm tracks and prevailing/weakening westerly winds. For detailed investigation of global teleconnection, two positive and one negative periods of AAO phase were chosen. The differences in MSLP and 2m temperature between positive and negative AAO years during the winter months partly explain the surface cooling during the last decades.
N2  - Eine der dringendsten wissenschaftlichen Herausforderungen besteht darin, das Klimasystem der Erde und die Prozesse zu verstehen, die seine Klimavariabilität bestimmen. Die Antarktis spielt eine entscheidende Rolle im globalen Klimasystem, da sie die wesentliche Energiesenke und atmosphärische Abkühlregion darstellt. In dieser Arbeit wird das regionale Klimamodell HIRHAM zur Untersuchung des Klimas der Antarktis eingesetzt, das dafür speziell angepasst wurde. Mit einer horizontalen Auflösung von 50 km und 25 vertikalen Schichten wurden Simulationen für 40 Jahre von 1958-1998 durchgeführt, wobei die Anfangs- und Randbedingungen durch die ERA40 Daten des ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) geliefert wurden. Die Modellergebnisse wurden mit Daten von Beobachtungsstationen, aerologischen Vertikalsondierungen, globalen Analysedaten und Satellitendaten verglichen. Diese Validierung zeigt, dass die HIRHAM Modellsimulationen die globalen und regionalen Zirkulationsmuster mit einem vertretbaren Modellfehler generieren. Auf der jährlichen Zeitskale zeigen sich die größten Modellfehler in einer Überbestimmung der totalen Wolkenbedeckung und der kalten bodennahen Temperaturen der Atmosphäre. Die bodennahen Inversionen und katabatischen Windsysteme werden durch das Modell gut wiedergegeben. Dekadische Prozesse wurden durch Trendberechnungen analysiert. Dazu wurden die 40 Jahre umfassenden Simulationen in zwei 20 Jahre Abschnitte von 1958-1978 und 1979-1998 unterteilt. Die Trends in den 2m Temperaturen, im mittleren Bodenluftdruck, 500 hPa Geopotential, Niederschlag und der Netto Massenbilanz wurden berechnet. In den letzten zwei Dekaden wurde eine starke atmosphärische Abkühlung an der Oberfläche in der Ostantarktis simuliert, die in guter Übereinstimmung mit den Trendanalysen aus Beobachtungen von Chapman und Walsh (2005) steht. Der Trend im mittleren Bodenluftdruck weist deutliche Unterschiede zwischen den ersten Periode 1958-1978 und der zweiten Periode 1979-1998 auf. Insgesamt verstärkt sich über die untersuchten 40 Jahre der zirkumpolare Tiefdruckwirbel und die kontinentale Antizyklone. Die Nettomassenbilanz und der Niederschlag zeigen einen positiven Trend über der Antarktischen Halbinsel, Wilkes Land und Dronning Maud Land. Das antarktische Eisschild wächst im östlichen Teil der Antarktis mit geringen Ausnahmen in Dronning Maud Land und Wilkes Land an und schächt sich über der antarktischen Halbinsel ab. Dieses Resultat befindet sich in Übereinstimmung mit den Akkumulationstrends von Davis (2005) auf der Basis von Satellitendaten. Die horizontalen Strukturen der simulierten antarktischen Trends im mittleren Bodenluftdruck, in der 2m Temperatur und der Netto Massenbilanz wurden mit Trends des globalen Telekonnektionsmusters der Südhemisphäre verglichen. Dazu wurden wesentliche atmosphärische Parameter für positive und negative Phasen der Antarktischen Oszillation (AAO) analysiert. Die positiven/negativen AAO Phasen gehen einher mit einer Verstärkung/Abschwächung des zirkumpolaren Tiefdruckwirbels, verstärkten/reduzierten Stormtracks und verstärkten/abgeschwächten Westwinden. Für eine tiefergehende Untersuchung wurden zwei positive und eine negative AAO Phase miteinander verglichen. Die Unterschiede im Bodenluftdruck und der 2m Temperatur zwischen den positiven und negativen AAO Perioden können den Abkühlungstrend während der letzten Dekaden zu großen Teilen erklären.
KW  - Antarktis
KW  - Klima
KW  - regionales Modell
KW  - Antarctic
KW  - Climate
KW  - regional modeling
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-17296
ER  -