Cohen, Judah

Dethloff, Klaus

Handorf, Dörthe

Jaiser, Ralf

Nakamura, Tetsu

Rinke, Annette

Ukita, Jinro

Yamazaki, Koji

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Wechselwirkungen zwischen der Arktis und den mittleren BreitenDörthe Handorf1Gemeinsam mit: Ralf Jaiser1, Annette Rinke1, Klaus Dethloff1,Judah Cohen2, Tetsu Nakamura3, Jinro Ukita4, Koji Yamazaki31Alfred Wegener Institute, Helmholtz Zentrum für Polar- und Meeresforschung, Forschungsstelle Potsdam2Atmospheric and Environmental Research, Inc., Lexington, Massachusetts, USA3Hokkaido University, Sapporo, Japan4Niigata University, Niigata, JapanKolloquium „Die Arktis in der globalisierten Welt“ 5. Oktober 2017Arctic Sea Ice © AWI/Mario Hoppmann CC-BY 4.0Die aktuelle Situation in der Arktis –Das Meereisminimum Meereisrückgang über Beaufortsee, Ostsibi-rischer See, Laptev-, Kara- und nördlicherBarentsseeMeereiskonzentration12.09.2017Ausdehnung:4,65 Mio km2Rückgang der arktischen Meereisausdehnung im September, 1979-2017Arktische Verstärkung und Rückgang des arktischen MeereisesArktische VerstärkungAnomalien des Jahresmittels der  bodennahen Lufttemperatur 2007-2016 zum Mittel1951-1980Goddard Institute for Space Studieshttp://data.giss.nasa.gov/gistemp/[K]http://www.meereisportal.dePolarfront-Strahlstrom in ca. 10 km HöheMERRA data, Jan. 2012, NASAFarbig: WindgeschwindigkeitAtmosphärische Zirkulation der mittleren Breiten -Strahlströme (Jetstreams)Scientific TopicAtmosphärische Zirkulation der mittleren Breiten -Strahlströme-Planetare Wellen-ZirkulationsmusterMERRA Daten, Jan. 2012, NASAPolarfront-Strahlstrom in ca. 10 km HöheZwei Zustände der atmosphärischen ZirkulationMäandrierender StrahlstromPlanetare Wellen mit großer AmplitudeZonaler StrahlstromPlanetare Wellen mit kleiner AmplitudeScientific TopicKorrespondierendes Anomaliemuster des Bodenluftdrucks(Abweichung von mittlerer Druckverteilung)MERRA data, Jan. 2012, NASAZwei Zustände der atmosphärischen Zirkulationüber dem Nordatlantisch-Europäischem SektorMäandrierenderStrahlstromPlanetare Wel-len mit großerAmplitudeNordatlantischeOszillation in negativer Phase(NAO-) ZonalerStrahlstromPlanetare Wel-len mit kleinerAmplitudeNordatlantischeOszillation in positiver Phase(NAO+) Atmosphärische Zirkulation der mittleren Breiten -Strahlströme-Planetare Wellen-ZirkulationsmusterStrahlstromScientific TopicMERRA data, Jan. 2012, NASAZwei Zustände der atmosphärischen Zirkulationüber dem Nordatlantisch-Europäischem SektorMäandrierenderStrahlstromPlanetare Wel-len mit großerAmplitudeNordatlantischeOszillation in negativer Phase(NAO-) ZonalerStrahl stromPlanetare Wel-len mit kleinerAmplitudeNordatlantischeOszillation in positiver Phase(NAO+) Atmosphärische Zirkulation der mittleren Breiten -Strahlströme-Planetare Wellen-ZirkulationsmusterStrahlstrom Können arktische Änderungen die Häufigkeit des Auftretens von bevorzugten Zirkulationszuständen (NAO-Phasen) beeinflussen?Reduziertes Meereis im August/SeptemberZusätzliche Wärme im Ozean gespeichertWärmere Obfl.-Temperaturen in nachfolgenden MonatenVerringerte vertikale Stabilität der AtmosphäreVerstärkte Wettersysteme im HerbstEinfluss auf planetare Wellen im Spätherbst & Winter-Änderungen in der WellenausbreitungAbgeschwächter stratosphärischer Polarwirbel/Negative Nordatlantische OszillationErhöhte Wahrscheinlichkeit für kalte Winter über EurasienSynoptisch-skaligearktischeReaktionGroßskaligeReaktionÄnderungender Schnee-bedeckungMeereisrückgang & nachfolgende atmosphärische ZirkulationsänderungenEin möglicher dynamischerMechanismus für Verbindungenzwischen der Arktis und den mittler Brei en?02468101975 1983 1991 1999 2007 2015Eisausdehnungin 106km2HIGH iceLOW ice ERA-Interim Reanalyse Datensatz Daten von Wettervorhersagemodell mit assimilierten atmosph. Beobachtungen Analysen für 1979-2014 September Eiskonzentration (%) Hohe MeereisausdehnungHIGH ice (1979/80-1999/00) Geringe MeereisausdehnungLOW ice (2000/01-2013/14)  HIGH LOW LOW-HIGH[%] [%][%]Meereisrückgang & nachfolgende atmosphärische Zirkulationsänderungen – ERA-Interim DatenTemperaturhöhere Tempera-turen in unterer TroposphäreEady WachstumsrateErhöhte Baroklinität in mittlerer TroposphäreIntensivierung der Zyklonenentstehung[d-1][K]100200500850100200500850Anzahl der Zyklonen über der ArktisMeereisrückgang & nachfolgende atmosphärische Zirkulationsänderungen – ERA-Interim DatenBarokline Reaktion in der Arktis im Herbstlow minus high ice Bedingungen in ERA-Interim, Gebietsmittel über sibirischen Arktischen Ozean Reduziertes Meereis im August/September Zusätzliche Wärme im Ozean gespeichert Wärmere Obfl.-Temperaturen in nachfolgendenMonaten Verringerte vertikale Stabilität der Atmosphäre Verstärkte Wettersysteme im HerbstEinfluss auf planetare Wellen im Spätherbst & Winter-Änderungen in der WellenausbreitungAbgeschwächter stratosphärischer Polarwirbel/Negative Nordatlantische OszillationErhöhte Wahrscheinlichkeit für kalte Winter über EurasienSynoptisch-skaligearktischeReaktionGroßskaligeReaktionÄnderungender Schnee-bedeckungMeereisrückgang & nachfolgende atmosphärische Zirkulationsänderungen– ERA-Interim Daten[K]Temperaturänderungen über der Polarregion –ERA-Interim DatenDruckin hPa Ganzjährig höhere troposphärische Temperaturen Globale Erwärmung Arktische Verstärkung Starke signifikante Erwärmung der polaren Stratosphäre im Spätwinter Störung/Zusammenbruch des Polarwirbels? Ja, strato. W-Wind reduziertTemperatur [K], Gebietsmittel über  65°N-85°Nfür low minus high ice Bedingungen in ERA-Interim  Verstärkte aufwärtsgerichtete Ausbreitung planetarer Wellen im Herbst/Frühwinter Störung des Polarwirbels  Zusammenbruch des WirbelsDruckin hPa[m2/s2]Reduzierteaufwärts-gerichteteAusbreitungVerstärkteaufwärts-gerichteteAusbreitungÄnderungen der vertikalen Ausbreitung planetarer Wellen über der Polarregion – ERA-Interim Daten Vertikale Wellenausbreitung ist im Februar abgeschwächt aufgrund des Zusammenbruch des Wirbels  Ohne W-Wind keine vertikale Wellenausbreitung möglichVertikalkomponente Eliassen-Palm Flussvektor [m2/s2] Gebietsmittel über  65°N-85°N für low minus high ice Bedingungen in ERA-Interim  Reduziertes Meereis im August/September Zusätzliche Wärme im Ozean gespeichert Wärmere Obfl.-Temperaturen in nachfolgendenMonaten Verringerte vertikale Stabilität der Atmosphäre Verstärkte Wettersysteme im Herbst Einfluss auf planetare Wellen im Spätherbst & Winter-Änderungen in der WellenausbreitungAbgeschwächter stratosphärischer Polarwirbel/Negative Nordatlantische OszillationErhöhte Wahrscheinlichkeit für kalte Winter über EurasienSynoptisch-skaligearktischeReaktionGroßskaligeReaktionÄnderungender Schnee-bedeckungMeereisrückgang & nachfolgende atmosphärische Zirkulationsänderungen– ERA-Interim DatenNAO+ SCAN/SIB Blocking ATL-Cluster-Analyse von täglichenFeldern des BodenluftdrucksERA-Interim 1979-2015, DJFMCrasemann et al. (2017) Polar scienceAnomalien des Bodenluftdrucks der fünf ZirkulationsregimeNAO- DIPOLEBevorzugte großskalige Zirkulationsmuster (Zirkulationsregime) über der nordatlantisch-eurasischen RegionMeereisrückgang & nachfolgende atmosphärische Zirkulationsänderungen– ERA-Interim Daten Dezember und JanuarHäufigeres Auftreten von SCAN/SIB BlockingRelative Häufigkeit des Auftretensfür high ice Bedingungen (blau) &für low ice Bedingungen (rote Balken)Crasemann et al., (2017) Polar ScienceHäufigkeit des Auftretens der bevorzugten großskaligenZirkulationsmuster über der nordatlantisch-eurasischen RegionZirkulationsregime, die signifikanthäufiger auftreten fürlow ice Bedingungen Februar und MärzHäufigeres Auftreten von NAO-Meereisrückgang & nachfolgende atmosphärische Zirkulationsänderungen– ERA-Interim DatenReduziertes Meereis im August/SeptemberZusätzliche Wärme im Ozean gespeichertWärmere Obfl.-Temperaturen in nachfolgenden MonatenVerringerte vertikale Stabilität der AtmosphäreVerstärkte Wettersysteme im HerbstEinfluss auf planetare Wellen im Spätherbst & Winter-Änderungen in der WellenausbreitungAbgeschwächter stratosphärischer Polarwirbel/Negative Nordatlantische OszillationErhöhte Wahrscheinlichkeit für kalte Winter über EurasienSynoptisch-skaligearktischeReaktionGroßskaligeReaktionÄnderungender Schnee-bedeckungMeereisrückgang & nachfolgende atmosphärische ZirkulationsänderungenHerausforderung: Repräsentation in Klimamodellen? Modell: AFES (Atmospheric general circulation model For Earth Simulator) 2 Modellsimulationen, je 60 Jahre Zeitscheibenexperimente CNTL: High ice Bedingungen, Beobachtungen von 1979 bis 1983 NICE: Low ice Bedingungen, Beobachtungen von 2005 bis 2009 Nur Meereis ist zwischen den Simulationen unterschiedlich Verbesserte Darstellung der Wärmeflüsse durch das Meereis Nakamura et al. (2015, JGR); Jaiser et al. (2016, submitted)Darstellung des Einflusses des Meereisrückgangs  in KlimamodellenEiskonzentrationskarten im Herbst (SON) für low minus high ice BedingungenAFESNICE-CNTL[%] [%]ERA-InterimLOW-HIGHVertikalkomponente Eliassen-Palm Flussvektor [m2/s2] Gebietsmittel über  65°N-85°Nfür low minus high ice BedingungenAFES NICE-CNTLERA-Interim LOW-HIGH Ähnliche Anomalien im Winter Reduzierter vertikaler Fluss im Februar ist hochsignifikant in beiden Datensätzen Diese Übereinstimmung zeigt den deutlichen Einfluss von Meereisänderungen auf atmo-sphärische Zirkulations-änderungen ERA-Interim ist im Frühwinter deutlich gestörter Einfluss zusätzlicher ProzesseDruck in hPa[m2/s2][m2/s2]Druck in hPaÄnderungen der vertikalen Ausbreitung planetarer Wellen über der Polarregion - Modell & ERA-Interim Sehr gute Übereinstimmung zwischen Modell und Reanalyseim Winter (und Herbst) ERA-Interim zeigt generelles Signal der globalen Erwärmung AFES bodennahe Erwärmung allein durch Meereisrückgang Atmosphärische Modelle mit realistischem Meereisantrieb können die dynamischen Prozesse (Tropo-Strato-WW) reproduzieren und zeigendas beobachtete negative NAO Signal im (Spät)-Winter [K][K]Temperatur [K], Gebietsmittel über  65°N-85°N für low minus high ice BedingungenMODEL AFES NICE-CNTLERA-Interim LOW-HIGHPressurein hPaPressurein hPaTemperaturänderungen über der Polarregion -Klimamodell & ERA-Interim DatenRelative Häufigkeit des Auftretens  für high ice Bedingungen (blau) &für low ice Bedingungen (rote Balken) Dezember und JanuarHäufigeres Auftreten vonSCAN/SIB BlockingCrasemann et al., (2017) Polar scienceMeereisrückgang & nachfolgende atmosphärische Zirkulationsänderungen – Klimamodel & ERA-InterimBevorzugte Zirkulationsmuster über der nordatlantisch-eurasischen RegionZirkulationsregime, die signifikant häufiger auftreten für low ice BedingungenERA-InterimModell AFES  DezemberHäufigeres Auftreten von SCAN/SIB Blocking Februar und MärzHäufigeres Auftreten vonNAO- Februar und MärzHäufigeres Auftreten von NAO-Polarwirbel Änderungen im Wetter und Klima der mittleren BreitenMeereisverluste im Sommer und Frühherbst im Spätherbst und Winter SchneebedeckungGlobale KlimaänderungNatürliche KlimavariabilitätÄnderungen inZyklonenzugbahnenStrahlströmenPlanetare WellenArktische VerstärkungDynamische Verbindungswege zwischen der Arktis und den mittleren BreitenArktische Meereisänderungen sind bedeutender Antrieb füratmosphärische Zirkulationsänderungen Änderungen im Meereisantrieb ändern die Häufigkeit des Auftretens der      bevorzugten Zirkulationsregime der chaotischen Atmosphäre Die Troposphäre-Stratosphäre-Wechselwirkungen sind für die dynamischenVerbindungswege zwischen der Arktis und den mittleren Breiten entscheidend Atmosphärische Modelle mit realistischem Meereisantrieb reproduzieren das     beobachtete negative NAO Signal im (Spät)-Winter und die zugehörigen ProzesseAusblickeSchlussfolgerungen für die Modellierung des Einflusses arktischer Klimaänderungen auf das Wetter und Klima in mittleren Breiten Grundlegende atmosphärendynamische Prozesse müssen hinreichend gut dargestellt sein, insbesondere Wellenanregung und Wellenausbreitung Adäquate Implementierung des Oberflächenantriebs ist wichtig bedeutsam für gekoppelte Atmosphären-Ozean-Meereis-Modelle Potential für verbesserte Vorhersagen auf Zeitskalen von Jahreszeiten bis Dekaden und darauf aufbauenden Klimafolgen-StudienVielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!Referenzen:Crasemann, B., D. Handorf, R. Jaiser, K. Dethloff, T. Nakamura, J. Ukita, K.Yamazaki (2017), Can preferredatmospheric circulation patterns over the NorthAtlantic-Eurasian region be associated with Arctic sea ice loss? Polar Sci., doi:10.1016/j.polar.2017.09.002Cohen, J.  J. A. Screen,  J. C. Furtado,  M. Barlow, D. Whittleston,  D. Coumou,  J. Francis, K. Dethloff, D. Entekhabi, J. Overland, J. Jones, (2014), Recent Arctic amplification and extreme mid-latitude weather. Nature Geoscience, 7, 627–637, doi:10.1038/ngeo2234Handorf, D., R. Jaiser, K. Dethloff, A. Rinke, and J. Cohen (2015), Impacts of Arctic sea ice and continental snow cover changes on atmospheric winter teleconnections. Geophys. Res. Lett., doi:10.1002/2015GL063203Jaiser, R., K. Dethloff, D. Handorf, A. Rinke, and J. Cohen (2012), Planetary- and synoptic-scale feedbacks between tropospheric and sea ice cover changes in the Arctic, Tellus, Ser. A, 64, 11595, doi:10.3402/tellusa.v64i0.11595.Jaiser, R., K. Dethloff, and D. Handorf (2013), Stratospheric response to Arctic sea ice retreat and associated planetary wave propagation changes, Tellus, Ser. A, 65, 19375, doi:10.3402/tellusa.v65i0.19375.Jaiser, R., T. Nakamura, D. Handorf, K. Dethloff, J. Ukita, K. Yamazaki (2016), Atmospheric winter response to Arctic sea ice changes in reanalysis data and model simulations. JGR.Nakamura, T., K. Yamazaki, K. Iwamoto, M. Honda, Y. Miyoshi, Y. Ogawa, J. Ukita (2015), A negative phase shift of the winter AO/NAO due to the recent Arctic sea-ice reduction in late autumn. J. Geophys. Res. Atmos., 120, 3209–3227, doi: 10.1002/2014JD022848.ZusatzfolienWinterGPH 50hPa63% expl. CovarianceFebruarySea level pressure36% explained CovarianceAtmosphericcirculationSeaiceconcentration September SeptemberPlanetary-scale response in Feb.Coupled Patterns 1979-2015   Statistical relation betweensea ice retreat and changes ofatmospheric circulation patterns Changes of centers of action,  similarity with pattern of NAOin negative phase Observed changes in troposphere and stratosphereJaiser et al. 2012, 2013, 2016 Handorf et al. 2015 Challenge: Representation in models?Sea ice retreat & subsequent atmosphericcirculation changes – ERA-Interim dataArctic Oscillation signal in AFES• AFES NICE minus CNTL shows very realistic sea ice anomalies• Realistic estimates of heat flux through sea ice • AFES is able to show the negative AO response (Motivation)ERA-InterimLow minus highJaiser et al. 2012AFESNICE minus CNTLNakamura et al. 2015Sea level pressure AO phase shiftPreconditioningZonal wind Synoptic scale heat fluxPolar cap mean 65°N-85°N low ice minus high ice conditions• Positive zonal wind anomaly in October/November reaching stratosphere• Relation with synoptic scale heat flux anomaly• ERA-Interim shows signal laterAFESNICE-CNTLERA-InterimLOW-HIGHPolar vortex influenceOur vortex breakdown hypothesis is clearly related to Sudden Stratospheric Warmings (SSWs)• Decadal frequency of SSWs varies• 1979/80 to 1989/90 (80s): 8 SSWs in 11 winters• 1990/91 to 1999/00 (90s): 2 SSWs in 10 winters• 2000/01 to 2013/14 (LOW): SSW in every winter (14 years)• Largest difference in SSW count/frequency between LOW and 90sLOW-HIGH LOW-80s LOW-90s• The upward/downward signal is strongest if LOW is compared to 80s• SSW frequency is similar  Approval of our sea ice hypothesis• Process of sea ice influence differs from “classical” SSW event• The low SSW count in 90s is associated with a general climatology shift• Early winter up/down disturbance related to 90sPolar cap mean 65°N-85°N of vertical EP flux component on planetary scalesECHAM6ECHAM6 experiments• Similar approach as for AFES experiment• 2 model runs with 120 perpendicular years each• 20 years spin of = 100 years of data• HICE: High ice conditions as observed from 1979 to 1983• LICE: Low ice conditions as observed from 2005 to 2009• Constant SST, CO2 and other forcing• No climate change signals except for sea ice changes• Model resolution T63, 90 vertical levels, 0.01hPa model top Integration of computationally fast ozone chemistry (SWIFT) Next talkECHAM6 LOW-HIGH ice conditionsZonal wind Temperature Geopotential heightsAFESERA-InterimECHAM6Smaller magnitudeLess significantMore disturbed LaterPolar cap mean 65°N-85°N low ice minus high ice conditions

Wechselwirkungen zwischen der Arktis und den mittleren Breiten

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