Tropospheric QBO-ENSO interactions and differences between Atlantic and Pacific

This study investigates the interaction of the Quasi-Biennial Oscillation (QBO) and the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) in the troposphere separately for the North Pacific and North Atlantic region. Three 145-year model simulations with NCAR’s Community Earth Sytem Model (CESM-WACCM) are analyzed where only natural and no anthropogenic forcings are considered. These long simulations allow us to obtain statistically reliable results from an exceptional large number of cases for each combination of the QBO (westerly and easterly) and ENSO phases (El Niño and La Niña). Two different analysis methods were applied to investigate where nonlinearity might play a role in QBO-ENSO interactions. The analyses reveal that the stratospheric equatorial QBO anomalies extend down to the troposphere over the North Pacific during Northern hemisphere winter only during La Niña and not during El Niño events. The Aleutian low is deepened during QBO westerly (QBOW) as compared to QBO easterly (QBOE) conditions, and the North Pacific subtropical jet is shifted northward during La Niña. In the North Atlantic, the interaction of QBOW with La Niña conditions (QBOE with El Niño) results in a positive (negative) North Atlantic Oscillation (NAO) pattern. For both regions, nonlinear interactions between the QBO and ENSO might play a role. The results provide potential to enhance the skill of tropospheric seasonal predictions in the North Atlantic and North Pacific region

Explaining heatwaves with machine learning

Heatwaves are known to arise from the interplay between large-scale climate variability, synoptic weather patterns and regional to local scale surface processes. While recent research has made important progress for each individual contributing factor, ways to properly incorporate multiple or all of them in a unified analysis are still lacking. In this study, we consider a wide range of possible predictor variables from the ERA5 reanalysis, and ask, how much information on heatwave occurrence in Europe can be learned from each of them. To simplify the problem, we first adapt the recently developed logistic principal component analysis to the task of compressing large binary heatwave fields to a small number of interpretable principal components. The relationships between heatwaves and various climate variables can then be learned by a neural network. Starting from the simple notion that the importance of a variable is given by its impact on the performance of our statistical model, we arrive naturally at the definition of Shapley values. Classic results of game theory show that this is the only fair way of distributing the overall success of a model among its inputs. With this approach, we find a non-linear model that explains 70% of reduced heatwave variability, 27% of which are due to upper level geopotential while top level soil moisture contributes 15% of the overall score. In addition, Shapley interaction values enable us to quantify overlapping information and positive synergies between all pairs of predictors

Der SST Fehler im Tropischen Atlantik im Kieler Klimamodell

Until today, the Tropical Atlantic Ocean is a region which is difficult to represent in numerical models. Most of the current coupled general circulation models (CGCM) show a strong warm bias in the eastern Tropical Atlantic and are unable to reproduce the observed variability especially directly along the equator. In this work various sensitivity experiments with the Kiel Climate Model (KCM) are described. A largely reduced warm bias and an improved seasonal cycle in the eastern Tropical Atlantic are simulated in one particular version of KCM. By comparing the stable and well-tested standard version with the sensitivity experiments and the modified version, mechanisms contributing to the reduction of the eastern Atlantic warm bias are identified and compared to what has been proposed in literature. The errors in the spring and early summer zonal winds associated with erroneous zonal precipitation seems to be the key mechanism, and large-scale coupled ocean-atmosphere feedbacks play an important role in reducing the warm bias. Improved winds in boreal spring cause the summer cooling in the eastern Tropical Atlantic via shoaling of the thermocline and increased upwelling, and hence reduced sea surface temperature (SST). Reduced SSTs in the summer suppress convection and favor the development of low-level cloud cover in the eastern Tropical Atlantic region. Subsurface ocean structure is shown to be improved, and potentially influences the development of the bias. The strong warm bias along the southeastern coastline is related to underestimation of low-level cloud cover and the associated overestimation of surface shortwave radiation in the same region. Therefore, in addition to the primarily wind forced response at the equator both changes in surface shortwave radiation and outgoing longwave radiation contribute significantly to reduction of the warm bias from summer to fall. The better representation of the mean annual cycle in the Tropical Atlantic also improves the variability in the Tropical Atlantic. The different steps of the Bjerknes feedback mechanism are more realistically simulated in those version of KCM that have an better mean state. The improved representation of equatorial Atlantic variability is believed to be responsible for better potential predictability. No predictability that is significantly above persistence is found when hindcasting equatorial Atlantic SST between 1971 and 2004 using different configurations of KCM.Bis heute stellt der Tropische Atlantische Ozean eine Region dar, die sich nur schwer in globalen numerischen Modellen darstellen lässt. Die meisten der aktuellen gekoppelten Zirkulationsmodelle zeigen positive Meeresoberflächentemperaturabweichungen (SST Abweichungen) im östlichen Tropischen Atlantik und haben Schwierigkeiten die beobachtete Variabilität, besonders unmittelbar am Äquator, wiederzugeben. In dieser Arbeit werden unterschiedliche Sensitivitätsexperimente mit dem Kieler Klimamodell (Kiel Climate Model - KCM) beschrieben, unter anderem eine modifizierte Version des KCM, in der die positiven SST Abweichungen deutlich reduziert sind. Durch den Vergleich der stabilen und gutuntersuchten Standardversion mit den Sensitivitätsexperimenten und der modifizierten Version werden Mechanismen die zur Verringerung des SST Fehlers beitragen, identifiziert und mit Ergebnissen aus der Literatur verglichen. Daraus folgt, dass Fehler im zonalen Wind im Frühling und zu Beginn des Sommers in Zusammenhang mit Fehlern in der zonalen Verteilung des Niederschlags ein Schlüsselmechanismus darstellen. Grossskalige gekoppelte Ozean-Atmosphären Rückkopplungen spielen ebenfalls eine wichtige Rolle. Realistischere Winde im Nordfrühling verursachen die Abkühlung der SST im östlichen Tropischen Atlantik durch ein Abflachen der Thermokline und einen verstärkten Auftrieb, und tragen so zur Reduzierung des SST Fehlers bei. Kältere SST im Sommer unterdrücken die Konvektion und begünstigen die Entwicklung tiefer Wolken im östlichen Tropischen Atlantik. Die ozeanische Schichtung, die ebenfalls verbessert wurde, beeinflusst möglicherweise die Entwicklung des SST Fehlers. Der ausgepräge SST Fehler entlang der Südostküste des Tropischen Atlantik steht in Zusammenhang mit der Unterschätzung der tiefen Bewölkung und der damit zusammenhängenden Überschätzung der kurzwelligen Einstrahlung in der gleichen Region. Die Verringerung dieser Fehler trägt daher - neben den Fehlern in der äquatorialen Zirkulation - signifikant zur Reduzierung des SST Fehler im Nordsommer und -herbst bei. Die bessere Modellierung des mittleren Jahresgangs im Tropischen Atlantik verbessert ebenfalls die Darstellung der Variabilität. Die unterschiedlichen Schritte des Bjerknes-Rückkopplungsmechanismus werden realitätsnaher in den im mittleren Zustand verbesserten Versionen des KCM dargestellt. Die realistischerer Modellierung der Variabilität wird auch für die verbesserte potentieller Vorhersagbarkeit verantwortlich gemacht. Allerdings findet sich keine Vorhersagbarkeit die einer Persistenzvorhersage überlegen ist, wenn KCM zur Vorhersage der SST im östlichen tropischen Atlantik herangezogen wird

Parametrisierung dreidimensionaler Strahlungssflüsse in ECHAM5

Die Berechnung des kurzwelligen atmosphärischen Strahlungstransports in Klimamodellen basiert üblicherweise auf eindimensionalen Strahlungstransportroutinen unter Verwendung planparallel-homogener Wolken. Die vertikale Variabilität der Bewölkung wird ausschließlich über sogenannte Überlappungsannahmen in der Vertikalen berücksichtigt. Horizontale Variabilität wird nicht berücksichtigt. Diese Arbeit untersucht die Ergebnisse einer Strahlungstransportparametrisierung nach Schewski und Macke (2003) (Schewski-Parametrisierung, SP) in ECHAM5 und vergleicht diese mit den Ergebnissen der modellinternen Strahlungstransportroutinen. Die SP wurde anhand eines 3D Monte-Carlo Strahlungstransportmodells, das auf ein mesoskaliges Wolkenmodell angewendet wurde, bestimmt. Die SP berücksichtigt daher den Einfluss der dreidimensionalen Struktur der Wolken auf den Strahlungstransport (sogenannte „3D-Effekte“). Im ersten Teil werden anhand der globalen Verteilung der Differenzen zwischen SP und ECHAM5 in den atmosphärischen Transmissions-, Reflektions- und Absorptionseigenschaften systematische Unterschiede und Grenzen der SP aufgezeigt, die zu der Entwicklung einer verbesserten Version der SP führen. Anhand der verbesserten Version der SP wird im zweiten Teil gezeigt, dass die Berücksichtigung von 3D-Effekten in der SP zu einer höheren Absorption sowie zu einer geringeren Reflektion solarer Strahlung in der Atmosphäre führt. In Bezug auf die Transmission ergibt sich je nach geographischer Lage und Wolkentyp eine höhere oder geringere Transmission solarer Strahlung bei Anwendung der SP im Vergleich zu ECHAM5. Letzteres gilt auch für den zonal gemittelten Wolkenstrahlungeffekt. Trotz der unabhängigen Parametrisierung von Transmission, Reflektion und Absorption ergibt sich eine nahezu exakte Konsistenz der SP. Anhand der SP wird desweiteren eine globale kurzwellige Strahlungsbilanz aufgestellt und mit ECHAM5 sowie den Ergebnissen von Kiehl und Trenberth (1997) verglichen. Trotz der im Rahmen der Analyse gefundenen lokalen Unzulänglichkeiten der SP ergibt sich eine mit ECHAM5 und Kiehl und Trenberth (1997) vergleichbare und konsistente Strahlungsbilanz. Im letzten Teil dieser Arbeit werden Zeitserien und Tagesgänge der optischen Eigenschaften der Atmosphäre in der SP und ECHAM5 in verschiedenen Klimazonen analysiert. Insbesondere im Bereich mariner Stratocumulusbewölkung über dem Ozean zeigt sich, dass die Berücksichtigung von 3D-Effekten in der SP selbst bei einem simplenWolkentyp wie marinen Sc z.T. Unterschiede von über 100 W/m2 in den reflektierten und transmittierten Strahlungsflüssen verursacht

Die Relevanz sozialer Hinweisreize für die Verarbeitung der Umgebung im frühen Säuglingsalter

Menschen sind von frühster Kindheit an besonders sensibel gegenüber kommunikativen Reizen anderer Menschen, um etwas über ihre Umwelt zu lernen (Csibra & Gergely, 2006). Zahlreiche Befunde deuten darauf hin, dass die visuelle Informationsverarbeitung von Geburt an durch sozial relevante Reize, wie dem Blick einer Person, in besonderer Weise beeinflusst wird (Farroni, Johnson, Menon, Zulian, Faraguna & Csibra, 2005). Bis ins Erwachsenenalter hinein ist eine dominante Rolle solcher sozialer Hinweisreize für die Informationsverarbeitung beobachtbar (Friesen, Ristic, & Kingstone, 2004). Bereits in einem Alter von vier Monaten nutzen Säuglinge Blicksignale einer Person, um etwas über Objekte in ihrer Umgebung zu lernen (Reid & Striano, 2005; Reid, Striano, Kaufman & Johnson, 2004). Dies führt zu der Annahme, dass sozial relevante Hinweisreize bereits früh im Säuglingsalter die Verarbeitung der Umgebung begünstigen (Reid & Striano, 2007). Dies wirft jedoch die Frage auf, was genau sich hinter dem Begriff der sozialen Relevanz verbirgt. Bezieht er sich auf die biologischen Aspekte eines Stimulus, wie dessen Belebtheit? Die vorliegende Arbeit stellt eine Studie vor, die den Einfluss von belebten und unbelebten Hinweisreizen auf die Verarbeitung der Umgebung von Säuglingen untersucht. Vorangegangene Forschungsarbeiten verwenden Blicksignale einer Person als sozialen Hinweisreiz (Reid & Striano, 2005; Reid et al., 2004), definieren soziale Relevanz somit über einen Indikator für visuelle Aufmerksamkeit einer Person. Es wäre denkbar, dass andere Hinweisreize einer Person in ihrer sozialen Relevanz variieren, was sich auf die Informationsverarbeitungsprozesse niederschlagen könnte. Die vorliegende Arbeit berichtet zwei Experimente, die den Einfluss der isolierten Kopforientierung sowie der isolierten Blicksignale auf die Verarbeitung der Umgebung im frühen Säuglingsalter untersuchen. Weiterhin gilt es, die Rolle von persönlicher Familiarität mit einem Hinweisreiz genauer zu klären. Denkt man an die immens wichtige Rolle der primären Bezugsperson für die emotionale und kognitive Entwicklung im Säuglingsalter, so liegt die Vermutung nahe, dass Vertrautheit einen wichtigen Faktor bei der Bewertung sozialer Hinweisreize darstellt. Daraus ergibt sich die Frage, ob die Bezugsperson gegenüber einer fremden Person für die Verarbeitung der Umgebung von Säuglingen eine herausragende Rolle spielt. Dieser Frage widmet sich die vorliegende Arbeit. Um sozial-kognitive Prozesse im frühen Säuglingsalter umfassend zu erforschen, bedarf es Verfahren, die kognitive Prozesse bei jungen Säuglingen möglichst tiefgehend und vielfältig abbilden. Vor allem die Verhaltensbeobachtung und die Erfassung neuronaler Aktivitäten bilden hierbei wichtige Datenquellen. Die Blickbewegungsmessung und die Elektroenzephalographie (EEG) stellen für die Säuglingsforschung besonders gut geeignete Verfahren zur Gewinnung dieser Daten dar. Jedoch ist die Anwendung dieser Verfahren an Säuglingen mit besonderen Herausforderungen verbunden. Aus diesem Grund soll zunächst eine Einführung in die Anwendung dieser Verfahren gegeben werden. Nach der kurzen Einführung in die Methoden zur Erforschung sozial-kognitiver Prozesse im Säuglingsalter (Kapitel 2), folgt eine Analyse des Einflusses sozialer Hinweisreize auf die Verarbeitung der Umgebung von Säuglingen. Dabei wird soziale Relevanz unter dem Aspekt der Belebtheit (Kapitel 3), der visuellen Aufmerksamkeit einer Person (Kapitel 4) und der persönlichen Familiarität (Kapitel 5) beleuchtet. Abschließend wird die aktuelle Befundlage in einem breiten Rahmen diskutiert (Kapitel 6)