Universität zu Köln

Spangehl, Thomas (2004). Katabatische Winde über der Antarktis und die südhemisphärische Zirkulation: eine Analyse von Wechselwirkungen auf verschiedenen Raum- und Zeitskalen. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wird der Zusammenhang zwischen der Aktivität katabatischer Winde in der Antarktis und der südhemisphärischen atmosphärischen Zirkulation untersucht. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Rolle der Variabilität der südhemisphärischen Zirkulation auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen gelegt. Die für das Auftreten starker katabatischer Winde relevanten Mechanismen werden analysiert. Es soll überprüft werden, inwiefern katabatische Winde über den Mechanismus kontinentalskaliger Massenabflüsse aus der Antarktis heraus als fester Bestandteil der südhemisphärischen Zirkulation verstanden werden können. Eine Bedeutung bekommt dabei die Fragestellung, ob sich eine Verbindung zwischen katabatischen Winden und der Stärke eines zirkumpolaren Wirbels in der mittleren Troposphäre nachweisen lässt. Die Erfassung der Variabilität katabatischer Winde im Winter wird ausgehend von Beobachtungsdaten automatischer und bemannter Wetterstationen durchgeführt. Für eine Reihe von Konfluenzzonen des katabatischen Massenabflusses entlang der antarktischen Küste liegen Messzeitreihen des bodennahen Windes in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung für den Zeitraum ab 1980 vor. Zusätzlich kann zur Erfassung der vertikalen Temperaturverteilung auf Radiosondendaten von einzelnen aerologischen Stationen sowie auf operationelle Analysedaten zurückgegriffen werden. Darauf aufbauend kann die katabatische Natur des Massenabflusses durch Betrachtung der antarktischen Bodeninversion belegt werden. Die Verhältnisse die südhemisphärische Zirkulation betreffend werden ausgehend von operationellen Analysedaten erfasst. In einem ersten Schritt wird eine Identifikation katabatischer Massenabflussereignisse innerhalb verschiedener Untersuchungsregionen durchgeführt. Hierzu kommt ein im Rahmen dieser Arbeit entwickeltes objektives Verfahren zur Anwendung, welches auf der Aufstellung eines katabatischen Abflussindizes (KAI) beruht. Die Zusammenhänge zur südhemisphärischen Zirkulation werden mit Hilfe statistischer Methoden untersucht. Es wird zunächst die Rolle von synoptischer Aktivität näher beleuchtet. Es wird gezeigt, dass starke katabatische Winde bevorzugt zu Phasen abgeschwächter Zyklonenaktivität und einer hieraus resultierenden Verstärkung der regionalen Bodeninversion auftreten. Für einzelne Regionen wird darüber hinaus die herausragende Bedeutung von Blockierungen für das Auftreten starker katabatischer Winde nachgewiesen. Die Analyse der mit katabatischen Abflussereignissen einhergehenden Anomalien der großskaligen atmosphärischen Zirkulalation stellt den Schwerpunkt der Arbeit dar. Die Rolle von Zirkulationsvariabilität auf der intrasaisonalen als auch der interannualen Skala werden gesondert beleuchtet. Auf der intrasaisonalen Skala wird die Bedeutung von planetaren Wellen der Zahlen 3 und 4 nachgewiesen. Auf der interannualen Skala dominiert der Einfluss von planetaren Wellen der Zahl 3. Als unterstützende Mechanismen für das Auftreten starker katabatischer Winde werden erhöhter antizyklonaler Einfluss nahe der Abflussregion sowie verstärkte Advektion von Luftmassen aus dem Inneren der Antarktis heraus identifiziert. Darüber hinaus wird für einige Regionen eine Verbindung zur Stärke des zirkumpolaren Wirbels aufgezeigt. Starke katabatische Winde treten dabei bevorzugt zu Phasen eines abgeschwächten Zirkumpolarwirbels auf. Schließlich wird über Zirkulationsindizes die Rolle von großskaligen Zirkulationsanomalien und Telekonnektionen untersucht. Insbesondere für katabatische Abflüsse über die Adélie Küste wird ein deutlicher Zusammenhang zur Antarktischen Oszillation nachgewiesen. Besondere Aufmerksamkeit wird an dieser Stelle den Zugbahnregimen synoptischskaliger Zyklonen gewidmet, welche mit niederfrequenten Zirkulationsanomalien einhergehen können. So lassen die gefundenen Zusammenhänge sich zum großen Teil auf eine meridionale Verschiebung von Zyklonenbahnen zurückführen. Das Auftreten starker katabatischer Winde wird begünstigt durch eine Abschwächung der Zyklonenaktivität nahe der antarktischen Küste. Abschließend kann somit festgestellt werden, dass sich eine Verbindung zwischen katabatischen Winden und der Stärke des zirkumpolaren Wirbels nachweisen lässt. Diese ist im Einklang mit dem bisher anhand von Modellstudien gezeigten Konzept der Wechselwirkung zwischen kontinentalskaligen katabatischen Massenabflüssen und der Variabilität eines obertroposphärischen Wirbels. Auf der anderen Seite muss bei der Interpretation der anhand von Stationsdaten gefundenen Zusammenhänge jedoch vor allem die Rolle von synoptischer Aktivität bedacht werden. Besonders die Zyklonenaktivität ist eng gekoppelt an großskalige und niederfrequente Zirkulationsvariabiliät und kann darüber entscheidenden Einfluss auf die Variabilität katabatischer Winde entlang der antarktischen Küste haben.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Abstract This study investigates the relationship between the variability of katabatic winds over the Antarctic continent and the Southern Hemisphere atmospheric circulation. The main objective is to clarify the role of atmospheric circulation variability on different spatial and temporal scales. The occurrence of strong katabatic winds over coastal zones is analysed as well as the associated mechanisms. The existence of continental scale mass flux mechanisms is reviewed in order to analyse the role of katabatic winds as an integrated part of the Southern Hemisphere mean circulation. Of special interest is the question, in how far a connection between katabatic winds and the strength of the circumpolar vortex can be demonstrated. The variability of katabatic winds in winter is quantified based on automatic weather station and manned station data. These provide near surface winds time series with high temporal and spatial resolution back to 1980 for several confluence zones of cold air outflow along the Antarctic. Additionally, vertical temperature profiles are available from radiosonde data and operational analysis. This high resolution datasets allows the verification of the katabatic nature of the outflow by regarding the strength of the Antarctic surface inversion which is now provided in good accuracy. On the other hand, Southern Hemisphere circulation variability is assessed by operational analysis data. The identification of katabatic outflow events for diffecrent regions is performed by an objective index method called KAI (from German: Katabatischer Abfluss Index). This procedure enables the statistical investigation of the connections with the Southern Hemisphere circulation. In a first step, the relationship with synoptic scale activity is assessed. Results demonstrate that strong katabatic winds coincide with phases of reduced cyclonic activity close to the region and a strengthening of the regional surface inversion. Moreover, blocking plays an important role for the occurrence of strong katabatic winds in several regions. The main focus of the work is to identify the large scale anomalies of the Southern Hemisphere atmospheric circulation which are relevant for the occurrence of strong katabatic winds. Circulation variability is separately analysed on intraseasonal and interannual time scales: while wave numbers 3 and 4 are significant for katabatic outflow on the intraseasonal time scale, wave number 3 is most important on the interannual time scale. Results show that anticyclonic circulation and enhanced advection of cold air masses from the interior of the Antarctic continent are the main mechanisms that trigger the occurrence of strong katabatic winds. Furthermore, a number of regions reveal clear evidence for a linkage with the strength of the circumpolar vortex: strong katabatic winds are more likely to occur when the circumpolar vorctex is weak. Finally, circulation indices are used to investigate the influence of large scale circulation anomalies and teleconnections. A strong relationship with the Antarctic Oscillation is found, especially for katabatic winds over the Adélie Coast. Special attention is given to cyclone track regimes which coincide with the low-frequent circulation anomalies. Most of the connections are associated with a meridional shift of cyclone tracks. It can be concluded that katabatic winds are favoured by a weakening of cyclonic activity along the Antarctic coast. There is a clear relationship between the occurrence of strong katabatic winds and the variability of the circumpolar vortex. This relationship is in agreement with conceptional model studies, following the idea of an interaction between continental scale mass flux and the variability of the circumplolar vortex. On the other hand, interpretation of the results from real station data must take into account the role of the synoptic scale activity. Especially the cyclonic acitvity is linked to large scale circulation variability. This study shows that this is an important mechanism for inducing variability of katabatic winds over coastal areas. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Spangehl, Thomas spangehl@mail.met.fu-berlin.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-13244
Date:	2004
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute for Geophysics and Meteorology
Subjects:	Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language katabatischer Wind , Antarktis , Massenfluss , Südhemisphäre , großskalige atmosphärische Zirkulation German katabatic winds , Antarctica , mass flux , Southern Hemisphere , large scale atmospheric circulation English
Date of oral exam:	6 July 2004
Referee:	Name Academic Title Speth, Peter Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1324