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Atmospheric circulation and the surface mass balance in a regional climate model of Antarctica

Atmosphärische Zirkulation und die Massenbilanz der Oberfläche in einem regionalen Klimamodell der Antarktis

  • 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 modeledUnderstanding 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.show moreshow less
  • 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.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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Ksenia Glushak
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-17296
Advisor:Klaus Dethloff
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2007
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2008/02/25
Release Date:2008/04/16
Tag:Antarktis; Klima; regionales Modell
Antarctic; Climate; regional modeling
RVK - Regensburg Classification:UT 1080
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Licence (German):License LogoCreative Commons - Namensnennung, Nicht kommerziell, Weitergabe zu gleichen Bedingungen 2.0 Deutschland
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