The Role of Ocean-Atmosphere Interaction over the Gulf Stream SST-front in North Atlantic Sector Climate

Hand, Ralf

This work deals with various aspects of the atmospheric response to mid-latitude SST fronts, in particular in the Gulf Stream region. It consists of three parts: In the first part the effect of enhanced model resolution on the correct representation of the processes in the frontal region is discussed, based on analysis of a set of experiments using the atmospheric general circulation model ECHAM5. Precipitation shows sensitivity to resolution, but most other quantities that we analysed do not. Therefore, this sensitivity is likely caused by the parameterisation of atmospheric convection. In winter, also the representation of the North Atlantic storm track seems to benefit from higher model resolution. The second part focuses on the question of whether or not SST variability in the Gulf Stream region in general has an influence on the atmospheric processes related to the SST front. A transient ECHAM5 ensemble run, shows that convective precipitation has a high sensitivity to atmospheric boundary conditions in the region of the SST front and that local SSTs and convective precipitation are highly correlated there. In summer the so-called pressure adjustment mechanism, which has been identified in the climatological mean state, is enhanced when warm SST anomalies occur. In winter the enhanced precipitation is likely related to atmospheric fronts. Their frequency is not enhanced significantly, but the amount of precipitation per front is effected. The last part of this work deals with ocean-atmosphere interactions in a warming climate, based on a long-term integration with the Earth System Model MPI-ESM. The objective was to assess to what extend SST changes in the North Atlantic contribute to the global warming signal in the atmosphere, locally as well as on larger spatial scales. For the region of the historical Gulf Stream SST-front - a region were the historical run shows a local maximum in precipitation - the model projection shows a decrease in winter-time precipitation that is connected to a weakening of the SST gradients there. The large-scale atmospheric response in contrast was found to be mainly a direct response to the changed radiative forcings and the large scale SST increase and shows only little evidence of an impact from changes in the SST patterns in the Gulf Stream region.

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss von Fronten der Meeresoberflächentemperatur (engl. Sea Surface Temperature, SST) der mittleren Breiten auf die Atmosphäre aus verschiedenen Blickwinkeln am Beispiel der Golfstromregion betrachtet. Die Arbeit ist in drei Teile gegliedert: Im ersten Teil wird der Einfluss der Modellauflösung auf die korrekte Darstellung von in der in der Frontregion relevanten Prozessen diskutiert. Hierzu wurde eine Serie von Experimenten mit dem allgemeinen atmosphärischen Zirkulationsmodell ECHAM5 ausgewertet. Der Niederschlag weist im Atmosphärenmodell eine deutliche Sensitivität gegenüber der Auflösung auf; auf die anderen untersuchten Größen ist der Einfluss der Modellauflösung hingegen gering. Dies deutet darauf hin, dass die Unterschiede zwischen den Läufen unterschiedlicher Auflösung im Wesentlichen aus den Niederschlagsparametrisierungen resultieren. Im Winter scheint eine sehr hohe Modellauflösung zudem die Wiedergabe der Zugbahn extratropischer Stürme (des sog. North Atlantic storm track) zu verbessern. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Frage, inwiefern die Variabilität der Meeresoberflächentemperatur in der Golfstromregion generell einen Einfluss auf die mit der SST-Front verbundenen atmosphärischen Prozesse hat. Ein transienter ECHAM5-Ensemblelauf belegt eine hohe Sensitivität des konvektiven Niederschlags im Bereich der SST-Front bezüglich der Randbedingungen des Modells; zudem weisen konvektiver Niederschlag und SST im Bereich der Front eine hohe Korrelation auf. Im Sommer kommt es zu einer Verstärkung des aus der Literatur als “pressure adjustment” bekannten Mechanismus, der auch den klimatologisch gemittelten Zustand der Atmosphäre in dieser Region beschreibt. Im Winter ist der erhöhte Niederschlag sehr wahrscheinlich mit atmosphärischen Kalt- und Warmfronten verknüpft. Im letzten Teil werden schließlich Ozean-Atmosphäre-Wechselwirkungen im Kontext der Klimaerwärmung am Beispiel einer Langzeitsimulation mit dem Erdsystemmodell MPI-ESM betrachtet. Ziel war es herauszufinden, welchen Einfluss Veränderungen des lokalen Temperaturmusters an der Ozeanoberfläche auf die sich erwärmende Atmosphäre haben - sowohl lokal als auch auf größeren räumlichen Skalen. Im Bereich der historischen Golfstromfront, der Region in der im heutigen Klima ein deutliches lokales Niederschlagsmaximum zu finden ist, projiziert das Klimamodell für die Zukunft eine Abnahme des Niederschlags. Dies kann eindeutig mit einer Abschwächung des SST-Gradienten in dieser Region in Verbindung gebracht werden. Die großskaligen atmosphärischen Veränderungen stellen hingegen eine direkte Reaktion auf den veränderten Strahlungsantrieb und die großskaligen Veränderungen der SST dar; der Einfluss lokaler Veränderungen der SST-Muster in der Golfstromregion beschränkt sich im analysierten Modell somit auf den lokalen Einfluss.

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Hand, Ralf: The Role of Ocean-Atmosphere Interaction over the Gulf Stream SST-front in North Atlantic Sector Climate. 2014.

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