A novel quasi-Lagrangian perspective on the potential vorticity dynamics of blocked weather regime life cycles in the North Atlantic-European region

In den mittleren Breiten kommt es gelegentlich zu einer Strömungskonfiguration, bei welcher eine quasistationäre antizyklonale Zirkulationsanomalie (oftmals als „Block" bezeichnet) eine Umkehrung der großräumigen westlichen Strömung hervorruft. Diese Situation wird im Englischen als „Blocking" bezeichnet und kann in angrenzenden Regionen zu Extremwetter führen. Die korrekte Darstellung von Blocking stellt eine große Herausforderung in aktuellen numerischen Wettervorhersagemodellen dar. Ein Grund dafür liegt im mangelnden dynamischen Verständnis von Blocking. In der Vergangenheit wurden zahlreiche Theorien zur Dynamik von Blocking entwickelt, von denen jede einen bestimmten Aspekt der Dynamik betrachtet. Bis heute konnten die verschiedenen feuchtdynamischen und trockendynamischen Theorien noch nicht miteinander verbunden werden und lieferten sogar widersprüchliche Ergebnisse. Noch immer fehlt eine konsistente Sicht auf die relative Rolle trockener und feuchter Dynamik in den Lebenszyklen von Blocking. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Dynamik von Blocking zu erfassen und insbesondere die relativen Beiträge trockener und feuchter Prozesse zu entflechten. Dazu wird eine neuartige quasi-Lagrangsche Methode auf Basis der potenziellen Vortizität (PV) entwickelt. Da Vorhersagefehler in Verbindung mit Blocking vor allem in Europa vorkommen, liegt der Fokus auf Blocking über dem Nordatlantik und über Europa. Anhand der hochmodernen ERA5-Reanalyse für den Zeitraum 1979–2021 werden negative PV Anomalien in der oberen Troposphäre (PVAs−) verfolgt, die mit Blocking in Verbindung stehen. Mithilfe stückweiser PV-Tendenzen werden die relativen Beiträge trockener und feuchter Dynamik zur Amplitudenentwicklung von PVAs− quantifiziert. Blocking wird in dieser Arbeit aus Sicht von Wetterregimen betrachtet, die großräumige, anhaltende und wiederkehrende Zustände der außertropischen Zirkulation darstellen. Eine einzigartige Definition von Wetterregimen ermöglicht die Untersuchung der Lebenszyklen von vier verschiedenen „blockierten“ Regimen: Blocking über Europa (EuBL), über Skandinavien (ScBL), über dem Atlantik (AR) und über Grönland (GL). Ein schwerwiegender Vorhersagefehler, der mit dem Lebenszyklus von Blocking im März 2016 über Europa zusammenhängt, war mit einer Unterschätzung feuchter Prozesse über dem östlichen Nordatlantik verbunden. Die neue quasi-Lagrangsche Methode zeigt, dass die mit dem Block verknüpfte PVA− sich nicht lokal über Europa entwickelte, sondern weit entfernt von der Region vor der Ostküste der Vereinigten Staaten zum ersten Mal identifiziert wurde und nach Europa propagierte. Während der Überquerung des Nordatlantiks durchlief die PVA− mehrere Episoden abrupter Verstärkung, hauptsächlich durch feuchte Prozesse im Zusammenhang mit der Aktivität von sogenannten ’Warm Conveyor Belts’ (WCB). Diese Erkenntnis bestätigt eine frühere Hypothese von Grams et al. (2018), dass die WCB-Aktivität stromaufwärts des beginnenden Blocks entscheidend für den Aufbau von Blocking im März 2016 war. Eulersche Diagnosen würden die trocken-dynamische Propagation der PVA− betonen und somit den erheblichen feuchten Beitrag in der Ferne der blockierten Region übersehen. Durch die Fokussierung auf die physikalischen Prozesse, die für den Beginn von Blocking relevant sind, ermöglicht die neuartige quasi-Lagrangsche Methode eine Entflechtung der trockenen und feuchten Beiträge. Die systematische Auswertung der Dynamik von Blocking zeigt in dieser Arbeit zum ersten Mal, dass sich PVAs− entfernt von der Region entwickeln und in die blockierte Region hineinwandern. Es wurden zwei Pfade identifiziert, über die PVAs− aus dem Westen (stromaufwärtiger Pfad) und aus dem Osten (retrograder Pfad) in die blockierte Region propagieren. Die PVAs− werden in den Tagen vor dem Blocking überwiegend durch Feuchtprozesse verstärkt. Allerdings unterscheidet sich der Zeitpunkt, sodass retrograd-wandernde PVAs− die maximale Verstärkung früher erfahren als stromaufwärts propagierende PVAs−. Infolgedessen erfolgt die westwärts gerichtete Propagation von PVAs− nicht rein barotrop, sondern ist das Resultat des Zusammenspiels mit feuchten Prozessen, welche die PVA− an der westlichen Flanke verstärken und sie somit nach Westen verschieben. Die Pfade der PVAs− und die jeweilige zugrundeliegende Dynamik waren zuvor nicht bekannt und liefern einen neuen Blickwinkel auf Blocking. Rund um die maximale Ausprägung des Regimes enthüllt die quasi-Lagrangsche Methode einen Zusammenhang zwischen dem Lebenszyklus des Regimes und dem Lebenszyklus der PVA−. Feuchtprozesse dominieren die Verstärkung und Aufrechterhaltung der PVA− vor dem Regime-Maximum, während quasi-barotrope Dynamik maßgeblich zum Abbau nach dem Regime-Maximum beiträgt. Der Zerfall des Regime-Lebenszyklus geht mit einer starken Abschwächung der PVA−-Amplitude einher und vor allem mit der Propagation von PVAs− aus der Region heraus. Erneut enthüllt die Methode zwei Pfade von PVAs− nach Westen und Osten, was zeigt, dass einige PVAs− zu nachfolgenden blockierten Regimen beitragen. Generell sind die Unterschiede in der Dynamik zwischen den blockierten Regimen geringer im Vergleich zu den Unterschieden zwischen den PVA− Pfaden. Dabei sticht Blocking über Grönland im Vergleich zu den anderen Regimen beim Aufbau von Blocking heraus. Erstens dominiert der retrograde Pfad von PVAs− für GL, was nicht der Fall ist für EuBL, ScBL und AR. Und zweitens spielen feuchte Prozesse für PVAs− bei GL unabhängig vom Pfad eine ähnliche Rolle, während sie für stromaufwärts propagierende PVAs− von EuBL, ScBL und AR einen deutlich höheren Beitrag leisten. Diese Variation resultiert aus der Position des Blocks relativ zur typischen Zugbahn von Tiefdruckgebieten und zeigt die Empfindlichkeit der Dynamik von Blocking gegenüber dem genauen Ort von Blocking. Insgesamt versöhnt diese Arbeit zum ersten Mal unterschiedliche Perspektiven und Theorien zu Blocking in der Region über dem Nordatlantik und Europa und liefert eine neuartige quasi-Lagrangsche PV-Methode mit Potenzial für zukünftige Arbeiten zur Dynamik von Blocking

Similarity and variability of blocked weather-regime dynamics in the Atlantic-European region

Weather regimes govern an important part of the sub-seasonal variability of the mid-latitude circulation. Due to their role in weather extremes and atmospheric predictability, regimes that feature a blocking anticyclone are of particular interest. This study investigates the dynamics of these ''blocked'' regimes in the North Atlantic-European region from a year-round perspective. For a comprehensive diagnostic, we combine wave activity concepts and a piecewise potential-vorticity (PV) tendency framework. The latter essentially quantifies the well-established PV perspective of mid-latitude dynamics. All blocked regimes during the 1979&ndash;2021 period of ERA5 reanalysis are considered. Wave activity characteristics exhibit distinct differences between blocked regimes. After regime onset, one regime (Greenland Blocking) is associated with a suppression of wave activity flux, whereas two other regimes (Atlantic Ridge and European Blocking) are associated with a northward deflection of the flux without a clear net change. During onset, the envelope of Rossby wave activity retracts upstream for Greenland Blocking, whereas the envelope extends downstream for Atlantic Ridge and European Blocking. The fourth regime (Scandinavian Blocking) exhibits intermediate wave activity characteristics. From the perspective of piecewise PV tendencies projected onto the respective regime pattern, the dynamics that govern regime onset exhibit a large degree of similarity: Linear Rossby wave dynamics and nonlinear eddy PV fluxes dominate and are of approximately equal relative importance, whereas baroclinic coupling and divergent amplification make minor contributions. Most strikingly, all blocked regimes exhibit very similar (intra-regime) variability: a retrograde and an upstream pathway to regime onset. The retrograde pathway is dominated by nonlinear PV eddy fluxes, whereas the upstream pathway is dominated by linear Rossby wave dynamics. Importantly, there is a large degree of cancellation between the two pathways for some of the mechanisms before regime onset. The physical meaning of a regime-mean perspective before onset can thus be severely limited. Implications of our results for understanding predictability of blocked regimes are discussed. We further discuss the limitations of projected tendencies in capturing the importance of moist processes, which tend to occur at the fringes or outside of the regime pattern. Finally, we stress that this study investigate the variability of the governing dynamics without prior empirical stratification of data by season or by type of regime transition. We demonstrate, however, that our dynamics-centered approach does not map predominantly on variability that is associated with these factors. The main modes of dynamical variability revealed herein, and the large similarity of the blocked regimes in exhibiting this variability are thus significant results.</p

The Linkage of Serial Cyclone Clustering in Western Europe and Weather Regimes in the North Atlantic‐European Region in Boreal Winter

Abstract Extra‐tropical cyclones are an important source of weather variability in the mid‐latitudes. Multiple occurrences in a short period of time at a particular location are denominated serial cyclone clustering (SCC), and potentially lead to large societal impacts. We investigate the relationship between SCC affecting Western Europe and large‐scale weather regimes (WRs) in the North Atlantic‐European region in boreal winter. We find that SCC in low latitudes (45°N) is predominantly associated with the anticyclonic Greenland Blocking WR. In contrast, SCC in mid and high latitudes (55°N, 65°N) is mostly linked to different cyclonic WRs. Thereby, SCC occurs typically within a well‐established WR that builds up prior to SCC and decays after SCC. Thus, SCC events are closely associated with recurrent, quasi‐stationary and persistent large‐scale flow patterns (WRs). This mutual relationship reveals the potential of WRs in forecasting storm series and associated impacts on sub‐seasonal to seasonal time scales

A weather system perspective on winter–spring rainfall variability in southeastern Australia during El Niño

The El Niño phase of the El Niño Southern Oscillation (ENSO) is typically associated with below-average cool-season rainfall in southeastern Australia (SEA). However, there is also large case-to-case variability on monthly time-scales. Despite recent progress in understanding the links between remote climate drivers and this variability, the underlying dynamical processes are not fully understood. This reanalysis-based study aims to advance the dynamical understanding by quantifying the contribution of midlatitude weather systems to monthly precipitation anomalies over SEA during the austral winter–spring season. A k-means clustering reveals four rainfall anomaly patterns with above-average rainfall (Cluster 1), below-average rainfall (Cluster 2), above-average rainfall along the East Coast (Cluster 3) and along the South Coast (Cluster 4). Cluster 2 occurs most frequently during El Niño, which highlights the general suppression of SEA rainfall during these events. However, the remaining three clusters with local above-average rainfall are found in ∼52% of all El Niño months. Changes of weather system frequency determine the respective rainfall anomaly pattern. Results indicate significantly more cut-off lows and warm conveyor belts (WCBs) over SEA in El Niño Cluster 1 and significantly fewer in El Niño Cluster 2. In El Niño Cluster 3, enhanced blocking south of Australia favours cut-off lows leading to increased rainfall along the East Coast. Positive rainfall anomalies along the South Coast in El Niño Cluster 4 are associated with frontal rainfall due to an equatorward shift of the midlatitude storm track. Most of the rainfall is produced by WCBs and cut-off lows but the contributions strongly vary between the clusters. In all clusters, rainfall anomalies result from changes in rainfall frequency more than in rainfall intensity. Backward trajectories of WCB and cut-off low rainfall highlight the importance of moist air masses from the Coral Sea and the northwest coast of Australia during wet months

The Linkage of Serial Cyclone Clustering in Western Europe and Weather Regimes in the North Atlantic‐European Region in Boreal Winter

Extra‐tropical cyclones are an important source of weather variability in the mid‐latitudes. Multiple occurrences in a short period of time at a particular location are denominated serial cyclone clustering (SCC), and potentially lead to large societal impacts. We investigate the relationship between SCC affecting Western Europe and large‐scale weather regimes (WRs) in the North Atlantic‐European region in boreal winter. We find that SCC in low latitudes (45°N) is predominantly associated with the anticyclonic Greenland Blocking WR. In contrast, SCC in mid and high latitudes (55°N, 65°N) is mostly linked to different cyclonic WRs. Thereby, SCC occurs typically within a well‐established WR that builds up prior to SCC and decays after SCC. Thus, SCC events are closely associated with recurrent, quasi‐stationary and persistent large‐scale flow patterns (WRs). This mutual relationship reveals the potential of WRs in forecasting storm series and associated impacts on sub‐seasonal to seasonal time scales.Plain Language Summary: Serial cyclone clustering describes the occurrence of multiple extra‐tropical cyclones within a certain time frame and a spatially restricted region. Since extra‐tropical cyclones can be associated with strong winds and heavy precipitation, multiple occurrences can lead to large cumulative impacts in the affected areas. We analyze the relationship between serial cyclone clustering (SCC) in Western Europe and so‐called weather regimes (WRs) in the North Atlantic‐European region in boreal winter. These regimes describe slow evolving and enduring large‐scale atmospheric circulation patterns. Relationships with certain regime types are identified but depend on the latitude at which the clustered frequency of extra‐tropical cyclones is found. When SCC occurs in low latitudes (45°N), it mostly appears coincident with anticyclonic large‐scale flow patterns. In contrast, SCC in mid and high latitudes (55°N, 65°N) often occurs simultaneously with different cyclonic regimes. We find that periods of SCC occur typically within WR life cycles pointing to the fact that both, the WRs and SCC periods, are interlinked. This relationship may facilitate forecasting storm series and associated impacts on time scales beyond 2 weeks.Key Points: A close relationship is found between serial cyclone clustering (SCC) at 5°W and weather regimes (WRs) in the North Atlantic‐European region. SCC in mid and high latitudes (55°N, 65°N) is mainly associated with cyclonic and in low latitudes (45°N) with anticyclonic WR life cycles. Regardless of the selected latitude, SCC occurs mostly during an active regime life cycle and is manifested in a well‐established WR.German Research FoundationAXA Research Fund http://dx.doi.org/10.13039/501100001961Helmholtz Association http://dx.doi.org/10.13039/501100009318BMBF ClimXtremehttps://www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysis-datasets/era-interi