Kinematic vorticity and the size of cyclones

Betreuer: Stephan Pfahl, Lisa Schielicke, Edgar Dolores-Tesillos

Beschreibung: Extratropical cyclones are the precursor of most of the weather at mid-latitude. Model projections have shown storm structural and intensity changes. Changes in storm size could strongly impact society. However, the uncertainties about structural changes, such as cyclone size broadening, are still considerable. Here, an extratropical cyclone tracks-dataset from the CESM-LE model will be analysed in the present-day and future climate. The kinematic vorticity number (Wk-method) will be applied to the identified storms to determinate the cyclone extension on average at different pressure levels. Finally, the cyclone size response as the climate warms will be investigated. Prerequisites for this project are an interest in climate change, atmospheric dynamics and willingness to communicate time-to-time in English, as one of the supervisors does not speak German properly. The thesis may still be written in German. First experience with a scripting language (Matlab, Python, etc.) that will be used for the data analysis can be helpful but may also be obtained along with the thesis.

Literatur:

• Catto, J. L., Ackerley, D., Booth, J. F., Champion, A. J., Colle, B. A., Pfahl, S., ... & Seiler, C. (2019). The future of midlatitude cyclones. Current Climate Change Reports, 5(4), 407-420.

• Kay. J. E. et al., 2015: The Community Earth System Model (CESM) Large Ensemble Project: A community resource for studying climate change in the presence of internal climate variability. Bull. Amer. Meteor. Soc. 96, 1333-1349, doi:10.1175/BAMS-D-13-00255.1.

• Schielicke, L., Névir, P., & Ulbrich, U. (2016). Kinematic vorticity number–a tool for estimating vortex sizes and circulations. Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography, 68(1), 29464.

Analyse der Unsicherheiten bei der Berechnung von Trajektorien

Betreuer: Ingo Kirchner, Stephan Pfahl

Beschreibung: Die offline Berechnung von Trajektorien beruht auf einem vorliegenden Stroemungsfeld. Die raeumliche und zeitliche Aufloesung dieses Stroemungsfeldes verursacht Unsicherheiten. Zur objektiven Abschaetzung dieser Fehler soll auf der Grundlage der ERA5 Daten untersucht werden, welchen Einfluss die zeitliche und raeumliche Aufloesung des Stroemungsfeldes auf den Verlauf der Trajektorien haben. Dabei werden folgende Nebenbedingungen betrachtet:
- Wetterlage
- Region
- Hoehenschicht
- Laufzeit
Die Untersuchung soll sich auf typische Wetterlagen fuer Europa im Zeitraum 1979 bis 2019 beziehen. Zur Beurteilung des Fehlers wird der raeumliche Abstand der Trajektorien bei gleicher Laufzeit herangezogen. Verglichen werden Trajektorien, die zeitgleich an den gleichen Raumpunkten ansetzen, jedoch unterschiedlich aufgeloeste Stroemungsfelder verwenden. Zur Berechung der Trajektorien wird LAGRANTO benutzt.

Literatur:

• Sprenger, M. and Wernli, H. (2015): The LAGRANTO Lagrangian analysis tool - version 2.0, Geosci. Model Dev., 8, 2569–2586, doi:10.5194/gmd-8-2569-2015.

• Wernli, H. and Davies, H. C. (1997): A Lagrangian-based analysis of extratropical cyclones. I: The method and some applications. Q. J. R. Meteorol. Soc., 123, 467–489. doi:10.1002/qj.49712353811.

• Objektive Wetterlagenklassen nach P. Bissolli: https://www.dwd.de/DE/leistungen/klimastatusbericht/publikationen/ksb2003_pdf/06g_2003.html

Blockierende Hochdruckgebiete in einem wärmeren Klima

Betreuer: Stephan Pfahl

Beschreibung: Blockierende Hochdruckgebiete sind ein wichtiger Bestandteil der atmosphärischen Zirkulation in den mittleren Breiten und können zur Entstehung verschiedener Wetterextreme beitragen (siehe z.B. Pfahl und Wernli, 2012). Zukünftige Änderungen in der Häufigkeit solcher Blockierungen könnten weitreichende Konsequenzen nach sich ziehen, allerdings besteht zu Zeit noch kein Konsens zum Ausmaß solcher möglichen Änderungen. Das liegt zum Teil daran, dass unterschiedliche Definitionen und Indizes zur Identifikation der blockierenden Wetterlagen zu unterschiedlichen Ergebnissen in Modellprojektionen führen (siehe Abbildung). In dieser Arbeit sollen Klimasimulationen analysiert werden, um projizierte zukünftige Änderungen in der Häufigkeit von blockierenden Hochdruckgebieten besser zu verstehen. Dazu werden zwei verschiedene Indizes (die zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen) in direkten Bezug zueinander gesetzt. Voraussetzungen für diese Arbeit sind Interesse an atmosphärischer Dynamik und Klimasimulationen. Grundkenntnisse in einer Skriptsprache (R, Python), die zur Datenauswertung verwendet werden kann, sind von Vorteil, können aber auch während der Arbeit erworben werden.

Literatur:

• Pfahl, S. and H. Wernli, 2012: Quantifying the relevance of atmospheric blocking for co-located temperature extremes in the Northern Hemisphere on (sub-)daily time scales. Geophys. Res. Lett.39, L12807, doi:10.1029/2012GL052261.

• Woollings, T. et al. (2018): Blocking and its response to climate change. Curr. Clim. Change Rep. 4, 287-300, doi:10.1007/s40641-018-0108-z.

Circumglobal teleconnection pattern in warm and cold climate

Betreuer: Svetlana Botsyun, Stephan Pfahl

Beschreibung: Large-scale atmospheric circulation in the extratropics fluctuates in its own dynamics, involving nonlinear interaction among eddies with various horizontal scales and a wide range of time scales. The circumglobal teleconnection (CGT) is a major teleconnection pattern in the northern hemisphere in boreal summer and is characterized by several geographically-anchored action centers along the upper-tropospheric westerly jet stream (Ding and Wang, 2005). Alternative names for the CGT also exists in literature, such as the “Silk Road pattern”, “European wave train” for the Eurasian segments, and the “Tokyo–Chicago express” for the Pacific segment. The CGT has important impacts on the mid-latitude temperature, precipitation, and extreme weather (Bothe et al., 2011). In addition, the CGT is closely related to the monsoonal circulation in the tropics (Saeed et al., 2011). For example, there is a chain of interactions between the CGT and the Indian monsoon rainfall variability: one interaction involves the wave train that develops over the North Atlantic and modulates the monsoon rainfall activity, and another interaction involves anomalous monsoon heating influencing the downstream development of the CGT (Ding and Wang, 2005). For the paleo case, the changes in CGT under different climatic forcings, its connection to the Asian monsoons, and its impact on surface climate are not clear. In this project, we suggest exploring changes in CGT for the Pliocene (3 Ma) and the Last Glacial Maximum (LGM, 21 ka) compared to pre-industrial. The Pliocene is considered as a past analogue of future warm climate (Haywood et al., 2016) and the LGM is an example of a colder-than-present climate (Braconnot et al., 2007). Possible research questions:

1. How do slowly varying components of the climate, such as sea surface temperature (SST), greenhouse gas concentrations, ice sheets, etc. affect large-scale circulation variability and the westerly jet stream?
2. How do changes in the North Atlantic pressure gradient affect the CGT?
3. What is the relationship between the surface climate in Asia and the GCT in warm and cold climates?

Vorgehen: We propose to investigate changes in CGT using General Circulation model (GCM) ECHAM5 experiments with boundary conditions for pre-industrial (year 1850), the Pliocene (~3 Ma), and the Last Glacial Maximum (LGM, ~21 ka). Emphasis is on analyzing completed model simulations rather than creating new model runs. Student will be asked to analyze climatological midlatitude circulation in the Northern Hemisphere based on, for example, high-level geopotential height and winds anomalies. For MSc thesis, a temporal variation of the Northern Hemisphere pressure systems will be studied using the empirical orthogonal function (EOF) analysis.

Voraussetzungen: Requirements for this project are an interest in global atmospheric circulation and paleoclimate and a willingness to communicate in English (one of the supervisors is not a German speaker). Nevertheless, the final report can be written in German. Experience with scripting languages (Python, Ferret, ncl) would be helpful, but can be acquired during the project.

Literatur:

• Bothe, O., Fraedrich, K. and Zhu, X.: Large-scale circulations and Tibetan Plateau summer drought and wetness in a high-resolution climate model, Int. J. Climatol., 31(6), 832–846, doi:10.1002/joc.2124, 2011.

• Braconnot, P., Otto-Bliesner, B., Harrison, S., Joussaume, S., Peterchmitt, J.-Y. J.-Y., Abe-Ouchi, A., Crucifix, M., Driesschaert, E., Fichefet, T., Hewitt, C. D. and others: Results of PMIP2 coupled simulations of the Mid-Holocene and Last Glacial Maximum–Part 1: experiments and large-scale features, Clim. Past, 3(2), 261–277 [online] Available from: http://www.clim-past.net/3/279/2007/cp-3-279-2007-relations.html, 2007.

• Ding, Q. and Wang, B.: Circumglobal teleconnection in the Northern Hemisphere summer, J. Clim., 18(17), 3483–3505, 2005.

• Haywood, A. M., Dowsett, H. J., Dolan, A. M., Rowley, D., Abe-Ouchi, A., Otto-Bliesner, B., Chandler, M. A., Hunter, S. J., Lunt, D. J. and Pound, M.: The Pliocene model intercomparison project (PlioMIP) phase 2: scientific objectives and experimental design, Clim. Past, 12(3), 663–675, 2016.

• Saeed, S., Müller, W. A., Hagemann, S. and Jacob, D.: Circumglobal wave train and the summer monsoon over northwestern India and Pakistan: The explicit role of the surface heat low, Clim. Dyn., 37(5), 1045–1060, doi:10.1007/s00382-010-0888-x, 2011.

Synoptic analysis of convection

Betreuer: Stephan Pfahl, George Pacey

Beschreibung: Many strong convective precipitation events leading to flash floods in Germany occur at or near a cold front (e.g., Fink et al, 2009). The scale interactions between the frontal circulation and smaller-scale convective processes drive the dynamics of these convective storms. In this project, one particular case study in August 2013 that led to flash flooding, severe wind and hail reports across parts of Germany (including Berlin, see also the figure below) will be analyzed in detail. Combining radar and reanalysis data the role of various environmental factors will be investigated that may have favored the occurrence of convection (e.g., Doswell III et al., 1996). Prerequisites for this project are an interest in atmospheric convection and synoptic analyses as well as the willingness to communicate in English, as one of the supervisors does not speak German. The thesis may still be written in German. First experience with a scripting language (such as python) that will be used for data analysis can be helpful, but may also be obtained during the project.

Literatur: 

• Doswell III, C. A., H. E. Brooks, and R. A. Maddox, 1996. Flash flood forecasting: An ingredients-based methodology. Wea. Forecasting11, doi:10.1175/1520-0434%281996%29011%3C0560%3AFFFAIB%3E2.0.CO%3B2. 
• Fink, A. H., T. Brücher, V. Ermert, A. Krüger, and J. G. Pinto, 2009: The European storm Kyrill in January 2007: synoptic evolution, meteorological impacts and some considerations with respect to climate change. Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 9, 405-423, doi:10.5194/nhess-9-405-2009.

Der Zusammenhang zwischen Trockenheit und blockierenden Hochdruckgebieten

Betreuer: Stephan Pfahl

Beschreibung: Blockierende Hochdruckgebiete sind stationäre Wettersysteme, die im Sommer zu erhöhten Temperaturen führen und häufig extreme Hitzewellen verursachen (Pfahl und Wernli, 2012). Außerdem gehen solche Hochdruckgebiete typischerweise mit absinkenden Luftmassen, wolkenfreiem Himmel und damit Trockenheit einher (siehe Abbildung unten). Während der Zusammenhang der Hochdruck-Wetterlagen mit Temperaturextremen relativ gut verstanden und quantifiziert ist, gibt es bisher wenige Studien zu einer Verknüpfung von blockierenden Hochdruckgebieten mit Trockenperioden. Ein besseres Verständnis der dynamischen Prozesse, die Trockenheit begünstigen, ist aber insbesondere im Kontext des anthropogenen Klimawandels vonnöten, der in vielen Regionen zu stärker ausgeprägten Trockenperioden führen könnte (Dai, 2013). In dieser Arbeit wird eine einfache statistische Methode (nach Pfahl und Wernli, 2012) verwendet, um den räumlichen Zusammenhang zwischen blockierenden Hochdrucklagen und Trockenheit zu quantifizieren. Dazu wird, basierend auf Reanalyse-Daten, ein objektiver Index für blockierende Hochdruckgebiete mit einem oder mehreren Trockenheits-Indizes (zum Beispiel nach Byun und Wilhite, 1999) verknüpft. Voraussetzungen für diese Arbeit sind Interesse am atmosphärischen Wasserkreislauf sowie an klimatologischen Auswertungen. Grundkenntnisse in einer Skriptsprache (R, Python), die zur Datenauswertung verwendet werden kann, sind von Vorteil, können aber auch während der Arbeit erworben werden.

Literatur:

• Byun, H.-R. and D. A. Wilhite, 1999: Objective quantification of drought severity and duration. J. Climate 12, 2747-2756.

• Dai, A., 2013: Increasing drought under global warming in observations and models. Nature Clim. Change 3, 52-58, doi:10.1038/NCLIMATE1633.

• Pfahl, S. and H. Wernli, 2012: Quantifying the relevance of atmospheric blocking for co-located temperature extremes in the Northern Hemisphere on (sub-)daily time scales. Geophys. Res. Lett.39, L12807, doi:10.1029/2012GL052261.