Representation of warm conveyor belts in sub-seasonal forecast models and the link to Atlantic-European weather regimes

Warm Conveyor Belts (WCBs) sind wichtige Komponenten der großräumigen Strömung in den mittleren Breiten, da sie Luft aus der unteren Troposphäre in die Tropopausenregion transportieren und zur Bildung von Höhenrücken und blockierender Wetterlagen beitragen. Diese blockierenden Wetterlagen machen einen wichtigen Teil der Variabilität der großräumigen atmosphärischen Zirkulation in mittleren Breiten aus, die durch westwärts propagierende außertropische Rossby-Wellen und stationäre Muster gekennzeichnet ist. Die Ergebnisse von kürzlich veröffentlichten Studien weisen darauf hin, dass der WCB eine wichtiger Ort für Vorhersageunsicherheiten und Fehler in numerischen Wettervorhersagemodellen (NWP) darstellt und möglicherweise mitverantwortlich für die relativ geringe Vorhersagegüte von bestimmten großräumigen Wetterlagen ist. ... mehrDiese großräumigen Wetterlagen (oder Wetterregime) sind auf subsaisonalen Zeitskalen (mehrere Wochen bis zu einem Monat in der Zukunft) aufgrund ihrer sozio-ökonomische Auswirkungen und Verbindung zu Wetterextremen von enormer Bedeutung.

Trotz der großen Bedeutung der WCBs für die großräumige Zirkulation fehlt bisher eine systematische Auswertung der Vorhersagbarkeit von WCBs in NWP-Modellen und ihrer Verbindung zu großräumigen Wetterregimen. Daher untersucht diese Studie die Repräsentation von WCBs in großen Datensätzen von Wettervorhersagen aus der Subseasonal-to-Seasonal (S2S)-Datenbank und evaluiert die Rolle von WCBs für den Lebenszyklus von Wetterregimen in der Atlantic-Europa Region in den Vorhersagen.

Der erste Teil der Studie untersucht die Vorhersagbarkeit von WCBs in dem sub-seasonalen Wettervorhersagemodells des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) im Zeitraum Januar 1997 bis Dezember 2017. Die Vorhersage der WCB wird hinsichtlich der systematischen Auftretenshäufigkeit verifiziert und die Vorhersagegüte des WCBs im Modell evaluiert. Systematische Fehler in der WCB-Frequenz im Modell entstehen bereits zu frühen Vorhersagezeitpunkten von etwa 3 Tagen mit einer Unterschätzung der WCB-Aktivität von etwa 20\% relativ zur Klimatologie in der oberen Troposphäre über dem Nordatlantik und dem östlichen Nordpazifik. Abweichungen in der WCB Frequenz in der unteren und mittleren Tropospähre können teilweise durch Abweichungen im meridionalen Feuchtigkeitsfluss erklärt werden. Die Vorhersage des Auftretesn eines WCBs an einem festen Ort ist bis ca. 8--10 Tage im Voraus möglich, was auch der typischen Vorhersagbarkeit des Auftretens eines Tiefdruckgebiets entspricht. Die Vorhersagegüte von WCBs ist dabei besser über dem Nordpazifik im Vergleich zur Nordatlantik.
Die Ergebnisse deuten darauf, dass die derzeit begrenzte Vorhersagbarkeit für die großräumige außertropische Zirkulation auf subsaisonalen Zeitskalen von über 10 Tagen in der Zukunft mit der Auflösung von Prozessen im WCBs verbunden sein könnte.

Der zweite Teil der Studie bewertet die Rolle der WCBs für den Lebenszyklus blockierender Hochdruckwetterlagen über Europa (EuBL) in der verlängerten Winterperiode der sub-saisonalen Wettervorhersagen des EZMW (1997--2017). Im Vergleich zu anderen Wetterlagen ist die Vorhersage von EuBL immer noch eine große Herausforderung für die NWP und Klimamodelle. Die Analyse der WCB-Aktivität vor Beginn des Regimes zeigt eine starke Unterschätzung der WCB-Aktivität über dem Ostatlantik. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass die WCB-Aktivtät in den Vorhersagen anders zum Aufbauen der blockierende Wetterlage beiträgt und dass diese durch eine höhere Geopotentialanomalie und starker WCB-Aktivität an der Vorderseite des Blocks gekennzeichnet ist. Darüber hinaus weisen die Ergebnisse auf den Einfluss der Zirkulation über dem östlichen Nordpazifik auf die Vorhersagegüte des EuBL-Regimes hin. Die Ergebnisse zeigen, dass eine ungenaue Vorhersage der WCB-Aktivität teilweise für die relativ schlechte Vorhersagbarkeit von blockierenden Wetterlagen über Europe verantwortlich sein könnten, und verdeutlichen das Potenzial für eine weitere Verbesserung der subsaisonalen Vorhersage durch eine verbesserte Darstellung von WCBs in NWP-Modellen.

Im dritten Teil der Studie wird die Rolle des WCBs dann weiter für andere großräumige Wetterregime bewertet, insbesondere für andere blockierende Hochdruckwetterlagen. Neben der Bedeutung für EuBL spielt die WCB-Aktivität auch eine wichtige Rolle für die Vorhersage blockierender Hochdruckgebiete über Skandinavien und Grönland (ScBL und GL), während die Rolle für blockierende Wetterlagen über dem Atlantik (AR) geringer ist. Bei ScBL gibt es eine hohe WCB-Aktivität über dem nördlichen Teil des Blocks (Barentssee), die in den Vorhersagen nicht gut aufgelöst wird. Bei GL haben die Vorhersagen Schwierigkeiten, die WCB-Aktivität über dem Atlantik und über Nordamerika zu erfassen. Darüber hinaus wird die Rolle des WCB für blockierende Wetterlagen über Europa im borealen Sommer bewertet, die häufig zu sommerlichen Hitzewellen über dem Kontinent führen. Die WCB-Aktivität ist während Episoden mit geringer Vorhersagegüte von EuBL und ScBL verstärkt, was darauf hinweist, dass der WCB auch eine Rolle für die Vorhersage von blockierenden Hochdruckwetterlagen über Europa im Sommer spielt. Alles in allem unterstreichen die Ergebnisse, dass eine verbesserte Vorhersage von WCBs wahrscheinlich zu Verbesserungen der Vorhersagegüte auf subsaisonalen Zeitskalen führen würde.

Abschließend wird die Darstellung von WCBs und die Verbindung zu Wetterregimen in verschiedenen NPW-Modellen aus der S2S-Datenbank evaluiert. Die Analyse zeigt, dass ähnliche Fehler in der WCB-Aktivität bereits zu frühen Vorhersagezeitpunkten in allen S2S-Modellen auftreten. Die Fehler sind in den Vorhersagen des EZMW und des National Centers for Environmental Prediction (NCEP) schwächer als in den anderen Modellen. Der Vorhersagehorizont für WCBs für die Nordhalbkugel variiert zwischen den S2S-Modellen und ist in den Vorhersagen des EZMW und von Environmental and Climate Change Canada (ECCC) am Höchsten (ca. 8 Tage). Ein Vergleich zwischen den Modellen bezüglich des Zusammenhangs zwischen WCB-Aktivität und blockierender Hochdruckwetterlagen über Europa zeigt, dass in allen Modellen der WCB eine wichtige Rolle spielt und dass die Modellen den Block in ähnlicher Weise aufbauen. Trotz dieser Ähnlichkeiten gibt es Unterschiede in den Modellen bezogen auf die WCB Aktivität und die großräumige Zirkulation.

Die Ergebnisse dieser Studie tragen dazu bei, WCBs in NWP-Modellen und deren Rolle für die Vorhersage großräumiger Strömungsregime besser zu verstehen. Die Eregbnisse betonen die Bedeutung einer genauen Vorhersage von kleinräumigen Prozessen in außertrpischen Tiefdruckgebieten (wie das Freiwerden von latenter Wärme in WCBs) für die subsaisonale Vorhersage auf Zeitskalen von über zwei Wochen in der Zukunft. Darüber hinaus weisen die Ergebnisse darauf hin, dass der WCB eine wichtige Rolle für die Vorhersage blockierender Hochdruckwetterlagen spielt und dass deren geringe Vorhersagegüte über Europa sehr wahrscheinlich mit falsch dargestellten WCBs in den NWP-Modellen zusammenhängt.

Warm conveyor belts (WCBs) are important components of the large-scale flow in the midlatitudes since they transport air from the lower troposphere into the tropopause region and contribute to upper-level ridge building and the formation of blocking anticyclones. These anticyclones make up an important fraction of the variability of the large-scale atmospheric circulation in midlatitudes which is characterised by transient extratropical Rossby waves and stationary patterns. Recent studies indicate that the WCB constitutes an important source and magnifier of forecast uncertainty and errors in numerical weather prediction (NWP) models and might be co-responsible for relatively low forecast skill for certain upper-tropospheric large flow regimes. ... mehrThese flow regimes (also called weather regimes) are of particular importance on sub-seasonal time scales (several weeks to a month in the future) due to their implications for surface weather extremes and socio-economic impacts.

Despite the importance of the WCB for the large-scale circulation, a systematic evaluation of the representation of WCBs in NWP models and their link to large-scale flow regimes has yet to be determined. Therefore, this study systematically investigates the representation of WCBs in large reforecast data sets of different NWP models from the Subseasonal-to-Seasonal (S2S) database and evaluates the role of WCBs for the onset and life cycle of Atlantic-European weather regimes in the reforecasts.

The first part of the study investigates the representation of WCBs in the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) sub-seasonal reforecasts in the period January 1997 to December 2017. The representation of the WCB is verified in terms of systematic occurrence frequency biases, forecast reliability, and forecast skill. Systematic WCB frequency biases emerge already at early lead times of around 3 days with an underestimation for the WCB outflow over the North Atlantic and eastern North Pacific of around 20\% relative to climatology. Biases in the inflow and ascent stage of the WCB can be partly explained by biases in meridional moisture flux in the lower and mid troposphere. Skillful WCB forecasts are on average possible up to a lead time of 8--10 days with more skill over the North Pacific compared to the North Atlantic region. The results corroborate that the current limited forecast skill for the large-scale extratropical circulation on sub-seasonal time scales beyond 10 days might be tied to the representation of WCBs and associated upscale error growth.

The second part of the study evaluates the role of WCBs for the onset and life cycle of atmospheric blocking over the European region (EuBL) in the extended winter priod of the ECMWF's IFS reforecasts (1997--2017). The prediction and correct representation of EuBL is still a major challenge for numerical weather prediction (NWP) and climate models while the regime itself is strongly influenced by WCB activity over the central and eastern Atlantic. The analysis of the WCB activity prior the the onset of the regime shows a strong underestimation of WCB activity over the eastern Atlantic. It reveals that the reforecasts establish large-scale flow anomalies via WCB outflow differently than observed with a more amplified large-scale flow and high WCB activity upstream of the incipient block. Furthermore, the results point to upstream precursors from the eastern North Pacific which can impact the predictive skill of the EuBL regime. The findings show that forecast biases in WCB activity might be partly responsible for the relatively poor skill of blocking forecasts and highlight the potential for further improvement of sub-seasonal prediction by improving the representation of WCBs in NWP models.

In the third part of the study, the role of the WCB is then further evaluated for other large-scale flow regimes, in particular other blocked weather regimes. Besides the importance for EuBL onsets, WCB activity also plays an important role for the prediction of Scandinavian and Greenland blocking regimes (ScBL and GL) in the reforecasts while the role for the Atlantic Ridge (AR) seems to be smaller. For ScBL, there is high WCB outflow activity over the northern part of the incipient block (Barents Sea) which is not resolved well in the reforecasts. For GL, the reforecasts have difficulties in capturing the WCB outflow frequencies over both the Atlantic and North America. Furthermore, the role of the WCB is evaluated for blocked regimes over Europe in boreal summer which have high correlations with summer heat waves over the continent. WCB activity is enhanced during episodes with low predictive skill of EuBL and ScBL indicating that the WCB also plays a role for the prediction of regimes in summer. All in all, the findings underline that an improved prediction of WCBs would likely yield in improvements of forecast skill on sub-seasonal time scales.

Lastly, the representation of WCBs and the link to weather regimes is evaluated in different NWP models from the S2S database. The analysis shows that similar WCB biases emerge already at early forecast lead times in all S2S models. This finding shows that all NWP models have difficulties in correctly capturing WCB activity which might have strong implication for the forecast of the large-scale flow. The biases are generally weaker in the ECMWF reforecast and the reforecasts of the National Centers for Environmental Prediction (NCEP). The forecast skill horizon for the Northern Hemisphere varies between the S2S models and is highest in the ECMWF's reforecasts and the reforecasts of Environmental and Climate Change Canada (ECCC) (around 8 days). A comparison of the link between WCB activity and blocking over the European region in the four NWP models with highest WCB forecast skill shows that all models establish EuBL via strong WCB activity over the Atlantic. Despite similar pathways into EuBL small differences in terms of WCB activity and Z500 patterns occur between the four S2S models.

The results in this study help to better understand the representation of WCBs in NWP models and the role for the prediction of large-scale flow regimes. They emphasize the importance of accurate forecast of synoptic-scale processes (like latent heat in WCBs) for sub-seasonal prediction on time scales beyond two weeks. Furthermore, they indicate that the WCB plays an important role for the forecast of blocking anticyclones and that the low forecast skill of blocking over Europe is very likely tied to misrepresented WCBs in the NWP models.