Synoptische und dynamische Aspekte tropisch-extratropischer Wechselwirkungen: Drei Fallstudien von Hitzetiefentwicklungen über Westafrika während des AMMA-Experiments 2006

Pohle, Susan (2010). Synoptische und dynamische Aspekte tropisch-extratropischer Wechselwirkungen: Drei Fallstudien von Hitzetiefentwicklungen über Westafrika während des AMMA-Experiments 2006. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den synoptischen und dynamischen Aspekten von Hitzetiefentwicklungen während obertroposphärischer Austrogungen aus den Extratropen in Richtung des tropischen Westafrikas. Im Rahmen des AMMA-Projektes (Afrikanischer Monsun - Multidisziplinäre Analysen) fand im Jahr 2006 in mehreren Ländern Westafrikas eine geophysikalische Feldmesskampagne statt, deren Umfang an gewonnenen Daten hinsichtlich Vielfältigkeit, räumlicher und zeitlicher Dichte einzigartig ist. Daher werden in der vorliegenden Arbeit Ereignisse von tropisch-extratropischen Wechselwirkungen (TEW) untersucht, welche in dem Kampagnenjahr auftraten, wobei die Monate in der Trockenzeit und in den Übergangsjahreszeiten im Fokus stehen. Mittels einer subjektiven Identifikationsmethode wurden für das Jahr 2006 140 Tage mit einer Wolkenfahne (engl.: Tropical Plume, TP) als sichtbares TEW-Merkmal identifiziert und zu 29 Ereignissen zusammengefasst. Folgende drei TEW-Fälle wurden für die detaillierte Untersuchung der Wechselwirkungsmechanismen ausgewählt. Das erste Ereignis (06.-18. Februar 2006) kann als Fall einer Hitzetiefentwicklung über Nordbenin, Westniger und -nigeria und dem Osten Burkina Fasos und außergewöhnlich starken Niederschlägen entlang der Guineaküste bezeichnet werden. Der zweite Fall (19.-30. Mai 2006) umfasst ein Ereignis in der Übergangsphase von der Trocken- zur Monsunzeit mit einer in den Satellitenbildern gut sichtbaren TP über Westafrika und einer beobachteten Hitzetiefentwicklung über Burkina Faso und Mali. Beide Hitzetiefentwicklungen wurden mit einer erweiterten Form der Drucktendenzgleichung untersucht. Neben den ERA-Interim-Daten standen für die Untersuchung des zweiten Falles die AMMA-Reanalysen zur Verfügung. Dieser Datensatz beinhaltet neben den regulären Analyse- und Vorhersageparametern die Heizraten infolge subgitterskaliger, diabatischer Prozesse, wodurch deren Einfluss auf die Entwicklung des Bodendruckes direkt berechnet werden konnte. Dadurch konnte nachgewiesen werden, dass die diabatischen Heizprofile - sofern nicht vorhanden - als Residuum grundsätzlich aus den anderen Termen der Drucktendenzgleichung berechnet werden dürfen. Der Beginn der Hitzetiefentwicklung ist bei beiden Fällen auf eine thermodynamisch angetriebene Massendivergenz über ein oder zwei Tage zurückzuführen, welche von Warmluftadvektion dominiert wird. Darauf folgt eine dynamisch angeregte Massenkonvergenz oder -divergenz. Auch der Druckanstieg ist in beiden Fällen auf einen thermodynamischen Antrieb zurückzuführen. So dominiert Kaltluftadvektion gegenüber den Effekten der diabatischen Prozesse und der Vertikalbewegung und führt zu einer horizontalen Kontraktion und somit zu Massenkonvergenz. Der dritte Fall einer TEW vom 18. bis 30. Mai 2006 ist charakterisiert durch die Verlagerung eines subsaharischen Bodentiefs südlich von 20°N nach Nordost bis 30°N, einer AEW (engl.: African Eastery Wave) in der mittleren Troposphäre und einem subtropischen Höhentrog mit einer kompakten Wolkenfahne an dessen Ostflanke. In der bodennahen Schicht und mitteltroposphärisch an der Ostseite des AEW-Troges wird feuchte Luft in einem antizyklonalen Bogen von Süden über die Sahara bis an die Mittelmeerküste Marokkos und Algeriens transportiert und bis in 400 hPa gehoben. Dadurch wird die zu dieser Jahreszeit vorherrschende Harmattanströmung über der Sahara und dem nördlichen Sahel unterbrochen. Ab dem 22. Mai 2006 ist an der Westseite des subtropischen Teils der TP eine Leezyklogenese zu sehen. Die zunehmende Labilisierung der atmosphärischen Schichtung durch trogrückseitige Kaltluftadvektion in der Höhe und anhaltende trogvorderseitige Feuchteflusskonvergenz führt im Bereich der Zyklone und der TP über Nordwest-Marokko und Algerien in den darauf folgenden Tagen zur Auslösung von Feuchtkonvektion und Niederschlag. Ab dem 23. Mai zieht sich das Bodentief wieder nach Süden zurück und füllt sich langsam auf, was auf die bodennahe Advektion von kühler Luft zurückzuführen ist. Die Präsentation dieses Falles zeigt die Komplexität der Wechselwirkungsmechanismen zwischen der mittel- und untertroposphärischen, tropischen und der obertroposphärischen, extratropischen Zirkulation und deren verschiedene Erscheinungsformen, welche während eines einzelnen Ereignisses auftreten können. Bisher ist eine Vielfältigkeit dieser Art im Rahmen von Fallstudien noch nie gezeigt worden. Die Ergebnisse der Untersuchungen der ersten beiden Hitzetiefentwicklungen mit Hilfe der Drucktendenzgleichung tragen zu einem besseren Verständnis der Mechanismen bei, welche die Entwicklung von Hitzetiefs über Westafrika bestimmen. Das bedeutet, dass die Erweiterung der Drucktendenzgleichung und die gewonnenen Ergebnisse für diese zwei Fälle eine gute Perspektive für weitere Studien darstellen.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

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Abstract

Language

The present study deals with the synoptic and dynamic aspects of heat low developments associated with the penetration of an extratropical upper level trough into tropical West Africa. During the AMMA project (African Monsoon - Multidisciplinary Analysis), a large field campaign during the year 2006 took place in several West African countries. The collected data set is unique with respect to its diversity and its spatial and temporal density. Thus, this study is focusing to the year 2006 and the dry and the transition seasons are of special interest. Using a subjective identification method, 140 days with a tropical plume (TP) occurrence where identified during 2006 and grouped into 29 events. TPs are the most prominent feature of tropical-extratropical interactions and visible in infrared-satellite imagery. Three events were chosen for further, more detailed investigations. The first event (06 - 18 February 2006) is characterized by a heat low development over North Benin, West Niger and eastern Burkina Faso and heavy rains along the Guinea Coast. The second case (19 - 30 May 2006) occurred during the transition season from the dry to the wet conditions prior to the monsoon season. It is characterized by a well developed TP, visible in the satellite imagery, and a pronounced heat low development over Burkina Faso and Mali. The two heat low developments were investigated with an extended form of the pressure tendency equation (PTE). The investigations are based on the ERA-Interim and the AMMA-Reanalysis data set. The latter is available only for the second event during May. The AMMA data set contains in addition to the operationally archived parameters the diabatic heating rates. Thus, their impact on the surface pressure could be calculated directly. The comparison of the results produced with the different data sets suggests, that the calculation of the diabatic heating as the residuum of the other PTE-terms is meaningful, in case no heating rates are available. For both cases, the start of the heat low development is initiated by thermodynamically induced mass divergence over one or two days due to warm air advection, followed by dynamically induced mass divergence or convergence. The thermodynamic processes cause the pressure rise after reaching the pressure minimum. Thus, thermodynamic processes were again instrumental at the beginning of pressure tendencies. Cold air advection dominates the diabatic processes and the vertical motion and causes the horizontal contraction and thus the mass convergence. The third event was observed from 18 to 30 May 2006. During this period a sub-Saharan heat low moved from nearly 20°N northeastward to around 30°N. Additionally a mid level AEW (African easterly wave) and an upper level trough with an compact TP on its eastern flank were observed. At the near surface level and at the eastern side of the mid level AEW trough moist air was transported via an anticyclonic arc from the south over the Saharan region to the mediterranean coast of Morocco and Algeria and lifted up to 400 hPa. Thereby the prevailing Harmattan flow was interrupted over the Sahara and the northern Sahel. From the 22 May 2006 onwards, a lee cyclogenesis at the western side of the subtropical part of the TP was observed. The enhancing instability of the atmosphere due to upper level cold air advection and the ongoing moisture flux convergence ahead the trough in the mid troposphere cause moist convection and related precipitation under the cyclone and the TP over northwestern Morocco and Algeria during the following days. Starting 23 May onward the surface low retreats back south and weakens due to the low level cold air advection. This case shows the complexity of interaction mechanisms between the mid and lower tropospheric tropical and the upper level extratropical circulation and their observed characteristics during one single event. Until the time of writing, such diversity were not presented jet in the form of case studies. These results, regarding the investigations of the first two heat low developments with the pressure tendency equation, document an advance in the understanding of the mechanisms associated with the development of heat lows over West Africa. In particular, the extended formulation of the PTE and the obtained results for the two case studies represent a good perspective for further research.

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