Cyclonic Activity and its Influences on Antarctica

Abstract

The Antarctic Ice Sheet is the largest single ice mass on earth. Future change of Antarctic surface mass balance potentially impacts global sea level. Therefore, investigations of future surface mass balance is highly relevant and also discussed by the "Intergovernmental Panel on Climate Change". While the role of future increase of atmospheric moisture content is already analysed in several studies, the influence of changing atmospheric circulation on Antarctic mass balance is underexplored. This thesis contributes to fill this gap. Extra-tropical cyclones make the main contribution of atmospheric moisture flux in the mid- and high-latitudes. For that reason this work investigates the possibility of objective identification and tracking of extra-tropical cyclones in the Sub-Antarctic region and its influence of moisture transport towards Antarctica. At first this is done for ERA Interim reanalysis. An estimation of methodical dependency of cyclone tracking algorithms is done by means of analysis of 15 different objective methodologies. Strong cyclones were selected and their impact on moisture transport is examined. A strong methodical dependency is found for the absolute number of identified cyclones, whereas spatial patterns of cyclone densities mainly agree. Major disagreements are found in Weddell and Ross Seas, where quasi-stationary systems occur. A good agreement, i.e. small methodical dependency, can be found for the identification of strong cyclones. Poleward moisture transport which is attributed to these strong systems is well represented by the different algorithms. Investigation of climate change signals of Southern Hemisphere cyclones is done by means of a multi-model ensemble of six coupled atmosphere-ocean general circulation models with nine simulations in total. Strong cyclones are also separately analysed. While each model simulates a significant decrease of cyclone tracks between 20° S and 90° S in the 21st century, seven of nine integrations show increasing strong tracks, whereas three changing signals are significant. For the cyclone track density of all cyclones a robust poleward shift is simulated by the ensemble mean. Strong cyclones show increases on the Eastern Hemisphere. Antarctic net precipitation is the atmospheric branch of surface mass balance. In this work net precipitation is calculated out of the divergence of the moisture flux vector. This analysis is also done by means of coupled atmosphere-ocean general circulation model simulations for the 20th and 21st centuries. By means of a scaling approach future changes of net precipitation are split into thermodynamical (atmospheric warming) and dynamical (change of the atmospheric circulation) parts. Dynamical parts are further attributed to different atmospheric mechanisms. This attribution is done by means of a wave decomposition of spatial and temporal variability. As expected the thermodynamical part shows an increasing net precipitation for Antarctica. Although a poleward shift of the Southern Hemisphere stormtrack is found, the dynamical part of the changing signal shows decreases for Antarctica. The stormtrack shift is connected to the climate signal of cyclone activity. The dynamical climate change of moisture flux is found to be decreasing south of 60° S. This is attributed to a weakening of low frequency waves around Antarctica.

Der Antarktische Eisschild bildet die größte zusammenhängende Eismasse der Erde. Zukünftige Änderungen der Massenbilanz haben potentielle Einflüsse auf den globalen Meeresspielgel. Daher ist die Untersuchung zukünftiger Massenbilanzen des Antarktischen Eisschildes von großer Relevanz und wird in den Sachstandberichten des "Intergovernmental Panel on Climate Change" diskutiert. Während die Rolle von zukünftig erhöhtem atmosphärischem Feuchtegehalt in verschieden Studien untersucht ist, ist der Einfluss der Änderung der atmosphärischen Zirkulation wenig erforscht. Dazu leistet diese Promotion einen Beitrag. In den mittleren und hohen Breiten haben extra- tropische Zyklonen den größten Beitrag am atmosphärischen Feuchtetransport. Daher untersucht diese Arbeit zunächst die Möglichkeiten objektiver Identifikation und Verfolgung extra-tropische Zyklonen in subantarktischen Regionen und deren Einfluss auf den Feuchtetransport in Richtung Antarktis. Dafür werden zunächst ERA Interim Reanalysen untersucht. Zur Abschätzung der Methodenabhängigkeit verschiedener Identifikationsverfahren wird die Reanalyse mit 15 objektiven Algorithmen analysiert. Starke Zyklonen werden hierbei gefiltert und deren Einfluss auf den polwärtigen Feuchtefluss abgeschätzt. Es kann eine starke Methodenabhängigkeit für die absolute Anzahl der identifizierten Zyklonenbahnen festgestellt werden, wobei räumliche Muster der Zyklonendichten im Wesentlichen übereinstimmen. Größte Unterschiede können in den Regionen des Weddell und Ross Meers festgestellt werden. Diese Regionen sind bekannt für das Auftreten quasi-stationärer Systeme. Eine gute Übereinstimmung und somit geringe Methodenabhängigkeit kann für die Identifikation starker Zyklonen festgestellt werden. Der polwärtige Feuchtetransport, der durch diese starken Systeme verursacht wird, lässt sich mit den verschiedenen Algorithmen sehr vergleichbar darstellen. Zur Untersuchung des Klimaänderungssignals südhemisphärischer Zyklonen wird ein Multi-Modell Ensemble sechs gekoppelter Atmosphäre-Ozean Modelle mit insgesamt neun Simulationen verwendet. Starke Zyklonen werden hier ebenfalls getrennt analysiert. Während im 21. Jahrhundert jedes Modell des Ensembles für den Bereich 20° S bis 90° S eine signifikante Abnahme aller Zyklonen simuliert, zeigen sieben von neun Simulationen eine Zunahme starker Zyklonen, wobei davon drei signifikant sind. Für die Zyklonenzugbahndichte aller Systeme simuliert das Multi-Modell Ensemble eine robuste Südverschiebung der Zyklonen-Zugbahnen zeigen. Starke Zyklonen zeigen eine erhöhte Aktivität auf der Östlichen Hemisphäre. Der Antarktische Netto Niederschlag stellt die atmosphärische Komponente der Massenbilanz dar. In dieser Arbeit wird der Netto-Niederschlag aus der Divergenz des Feuchteflussvektors berechnet. Die Analyse des Feuchteflusses findet ebenfalls mit Hilfe eines gekoppelten Atmosphäre-Ozean Modells im 20. und 21. Jahrhundert statt. Mit Hilfe eines Skalierungsansatzes werden zukünftige Änderungen durch thermodynamische (Erwärmung der Atmosphäre) und dynamische (Änderung der Zirkulation) Effekte getrennt, wobei in einem weiterem Schritt die dynamischen Effekte entsprechenden Mechanismen der atmosphärischen Zirkulation zugeordnet werden. Diese Zuordnung findet durch eine Wellenzerlegung räumlicher und zeitlicher Variationen statt. Erwartungsgemäß zeigt die thermodynamische Änderung des Netto Niederschlags eine Erhöhung für die Antarktis. Obwohl eine polwärtige Verschiebung des südhemisphärischen Stormtracks gefunden wird, zeigt der dynamische Anteil der Netto-Niederschlagsänderung eine Abschwächung über der Antarktis. Der Effekt der Verschiebung des Stormtracks kann mit der Änderung von Zyklonen-Zugbahnen in Verbindung gebracht werden. Jedoch zeigt der dynamische Anteil der Feuchteflussänderung eine Abnahme südlich von 60° S. Diese lässt mit der Abschwächung niederfrequenter Wellenaktivität um die Antarktis beschreiben.