Perspectives on warm conveyor belts - sensitivities to ensemble configuration and the role for forecast error

Warmluftförderbänder (engl. warm conveyor belts, WCBs) sind Wettersysteme, die einen erheblichen Einfluss auf die großräumige Zirkulation in den Außertropen ausüben. Da sie Vorhersagefehler verstärken und auf das Rossby-Wellenmuster projizieren können, sind sie von großer Bedeutung für numerische Wettervorhersagen. Gleichzeitig wird der Aufstieg von Luftmassen in WCBs von der unteren in die obere Troposphäre stark von der Freisetzung von latenter Wärme durch Wolkenkondensationsprozesse angetrieben, deren Darstellung in Vorhersagemodellen mit Unsicherheiten behaftet ist. ... mehrIn der vorliegenden Arbeit werden zwei Aspekte von WCBs im Zusammenhang mit Ensemblevorhersagen näher beleuchtet:
(1) Sensitivitäten von WCBs auf die Darstellung von Unsicherheiten der Anfangsbedingungen und des Vorhersagemodells, und (2) die Rolle von WCBs für das Wachstum von Vorhersagefehlern. Ensemble-Vorhersagesysteme berücksichtigen Vorhersagefehler, die mit physikalischen Parametrisierungen zusammenhängen, indem mehrere Vorhersageläufe mit gestörter Modellphysik durchgeführt werden. Das “stochastically perturbed parametrization tendencies“ (SPPT) Schema, eine bewährte Methode zur Darstellung von Modellunsicherheiten, führt Störungen in die von den physikalischen Parametrisierungen berechneten Tendenzen ein. Die Amplitude der lokalen Störungen ist proportional zum Betrag der Tendenzen aus den Parametrisierungsschemata, der in den Aufstiegsregionen von WCBs typischerweise groß ist. Im ersten Teil dieser Arbeit werden die Auswirkungen des SPPT-Schemas und anderer Methoden der Modelunsicherheitsdarstellung auf diabatisch getriebene, schnell aufsteigende Luftströmungen untersucht. Wir verwenden das Integrated Forecasting System (IFS) des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF) und führen eine Reihe von Sensitivitätsexperimenten mit verschiedenen Ensemble-Konfigurationen durch, um die Auswirkungen von Anfangsbedingungstörungen und Modellstörungen auf schnell aufsteigende Luftströmungen zu unterscheiden. Die aufsteigenden Luftströmungen werden mithilfe von Trajektorien detektiert. Trotz seines symmetrischen, null-zentrierten Designs führt das SPPT-Schema zu einer systematischen Erhöhung der Häufigkeit schnell aufsteigender Luftströmungen, ohne dass die physikalischen Eigenschaften der Trajektorien verändert werden. Das Ausmaß dieses Effekts hängt von der integrierten latenten Heizrate entlang der Luftströmungen ab und ist daher in den Tropen stärker ausgeprägt als in den mittleren Breiten. Eine Eulersche Perspektive auf die Verteilung der Vertikalgeschwindigkeiten zeigt, dass SPPT die Häufigkeit starker Aufwärtsbewegungen erhöht, was durch beschleunigte Abwärtsbewegungen ausgeglichen wird. Im Gegensatz zu SPPT führen Störungen der Anfangsbedingungen nicht zur Änderung der Häufigkeiten schnell aufsteigender Luftströmungen. Diese Erkenntnis wird genutzt, um die Ergebnisse der Sensitivitätsexperimente zu untermauern, indem die gestörten und ungestörten Vorhersagen von operationellen ECMWF-Ensemblevorhersagen über eine große Anzahl von einzelnen Vorhersagen in verschiedenen Jahreszeiten verglichen werden. Experimente mit zwei anderen Modellunsicherheitsschemata deuten darauf hin, dass die Auswirkungen auf das Auftreten schnell aufsteigender Luftströmungen hauptsächlich auf die Störungen der physikalischen Parametrisierungen zurückzuführen sind, während Störungen des dynamischen Kerns des Modells nur geringe Auswirkungen auf die Vertikalgeschwindigkeiten haben. Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein Mechanismus vorgestellt, wie stochastische, null-zentrierte Störungen zu
einem einseitigen Effekt auf die Häufigkeit des Auftretens schnell aufsteigender Luftströmungen führen können. Wir stellen die Hypothese auf, dass symmetrische Störungen zu verzerrten Reaktionen führen können, wenn sie auf nichtlineare Systeme angewandt werden, die durch einen Schwellenwert gekennzeichnet sind, sodass Störungen in eine Richtung effektiver darin sind, einen Prozess auszulösen als Störungen gleicher Amplitude, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen den Prozess unterdrücken können.

WCBs und andere schnell aufsteigende Luftströmungen sind eng mit der Bildung von Niederschlag und der Entwicklung der großräumigen Strömung in den mittleren Breiten verbunden. Die bisherigen Ergebnisse der Arbeit werfen daher die Frage auf, ob sich die Auswirkungen der stochastischen Störungen auf die aufsteigenden Trajektorien in diesen Wetterphänomenen widerspiegeln. Wir zeigen, dass stochastische Modellstörungen die globale Niederschlagsverteilung konsistent mit ihren Auswirkungen auf die Vertikalengeschwindigkeiten modulieren und zu einer Verschiebung der Verteilung hin zu höheren Werten führen. Auch die Auswirkungen auf die großräumige Strömung in den mittleren Breiten stehen im Einklang mit der erhöhten Häufigkeit von WCBs. Im Vergleich zu Vorhersagen mit einem ungestörten
Modell sind Experimente, die mit stochastischen Modellunsicherheitsschemata gestört werden, durch eine erhöhte Amplitude des Rossby-Wellenmusters in der oberen Troposhäre und durch eine polwärtige Verschiebung der Tropopause gekennzeichnet. Die Ergebnisse werden durch die Auswertung der Rossbywellenamplitude in einem großen Reforecast-Datensatz mit gestörten und ungestörten Simulationen bestätigt. Die Konsistenz der modifizierten Vertikalengeschwindigkeiten und der Rossbywellenamplitude über verschiedene Schemata und Jahreszeiten hinweg deutet darauf hin, dass die WCBs den einseitigen Effekt der stochastischen Störungen auf die großräumige Zirkulation projizieren. Obwohl die Größenordnung dieses Effekts relativ gering ist, verdeutlicht er die Rolle von WCBs bei der Kommunikation von Signalen zwischen verschiedenen räumlichen Skalen und vertikalen Leveln. Der zweite übergreifende Aspekt dieser Arbeit ist die systematische Untersuchung der Rolle von WCBs für das Wachstum von Vorhersagefehlern. Durch die Nutzung eines einzigartigen Datensatzes von WCB- Trajektorien im Nordatlantik in operationellen ECMWF-Ensemblevorhersagen, die in drei Wintern initialisiert wurden, zielt die Analyse darauf ab, die negativen Auswirkungen von WCBs auf die Vorhersagequalität zu isolieren und die Ergebnisse früherer Studien zu bestätigen, die sich des Themas auf der Basis von Fallstudien angenommen haben. Wir stellen fest, dass Vorhersagefehler klimatologisch mit Regionen zusammenhängen, in denen WCBs häufig auftreten, und dass Vorhersagen, die durch eine hohe WCB-Aktivität gekennzeichnet sind, im Durchschnitt eine geringere Qualität aufweisen als Vorhersagen mit geringer WCB-Aktivität. Die Zeit in der Vorhersage, zu der das Fehlerwachstum über dem
Nordatlantik am größten ist, ist durch anomal hohe WCB-Aktivität gekennzeichnet. Composites von normalisierten Vorhersagefehlern, die auf WCB-Objekte zentriert sind, zeigen, dass WCBs mit charakteristischen raum-zeitlichen Mustern erhöhter Vorhersagefehler verbunden sind. Die Fehlermuster in der mittleren Troposphäre hängen mit einem stromaufwärts gelegenen Trog und einem sich stromabwärts entwickelnden Rücken zusammen, weisen aber eine große Variabilität von Fall zu Fall auf. In der oberen Troposphäre hingegen ist die Verschlechterung der Vorhersagegüte über viele Fälle robust und steht hauptsächlich mit erhöhten Windgeschwindigkeiten an der Nordflanke des Höhenrückens in Zusammenhang. Diese Analyse liefert Hinweise dafür, dass WCBs am Wachstum und der Amplifizierung von Vorhersagefehlern beteiligt sind, und unterstreicht die Notwendigkeit einer Verbesserung ihrer Darstellung.

Warm conveyor belts (WCBs) are weather systems that substantially modulate the large-scale extratropical circulation. As they can amplify forecast errors and project them onto the Rossby wave pattern, they are of high relevance for numerical weather prediction. At the same time, the ascending motion of WCBs that transports air masses from the lower to the upper troposphere is strongly driven by latent heat release from cloud-condensational processes, whose representation in forecast models is prone to uncertainties.
This thesis elaborates on two aspects of WCBs in the context of ensemble forecasts: (1) sensitivities of WCBs to the representation of initial condition and model uncertainties, and (2) the role of WCBs for forecast error growth. ... mehr
Ensemble prediction systems account for forecast errors related to physical parametrizations by running multiple integrations of the forecast model with perturbed model physics. The stochastically perturbed parametrization tendencies (SPPT) scheme, a well-established technique to represent model uncertainty, introduces perturbations into the tendencies provided by the physical parametrizations. The amplitude of the local perturbations is proportional to the magnitude of the tendencies from the parametrization schemes, which are typically large in the ascent regions of WCBs. The first part of this thesis investigates the impact of the SPPT-scheme and other model uncertainty representations on diabatically driven, rapidly ascending air streams. We use the Integrated Forecasting System (IFS) of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) and perform a set of sensitivity experiments with different ensemble configurations to disentangle the impact of initial condition and model perturbations on rapidly ascending air streams, which are identified with trajectory analysis. Despite its zero-mean design, SPPT results in a systematic increase of the frequency of rapidly ascending air streams, without changing the physical properties of the trajectories. The magnitude of the effect depends on the integrated latent heat release along the air streams and is therefore more pronounced in the tropics than in the midlatitudes. A Eulerian perspective on the distribution of vertical velocities reveals that SPPT increases the occurrence frequency of strong upward motions, which is balanced by accelerated downward motions. In contrast to SPPT, perturbations of the initial conditions do not result in frequency changes of rapidly
ascending air streams. This insight is used to substantiate the findings from the sensitivity experiments by comparing the perturbed and unperturbed forecasts of operational ECMWF ensemble forecasts across a large set of forecast initializations in different seasons. Experiments with two other model uncertainty schemes suggest that the impacts on the frequency of rapidly ascending air streams mainly result from the perturbations to the physical parametrizations, whereas perturbations to the dynamical core of the forecast model have only minor impacts on the vertical velocities. Based on these results, a mechanism is introduced how stochastic, zero-mean perturbations can result in a unilateral effect on the frequency occurrence of rapidly ascending air streams. We hypothesize that symmetric perturbations can result in biased responses when they are applied to nonlinear systems that are characterized by a threshold, such
that perturbations in one direction are more effective in triggering a process than perturbations of identical amplitude, but of opposite sign can suppress it. WCBs and other rapidly ascending air streams are closely linked to the formation of precipitation and to the evolution of the large-scale extratropical flow. The previous results therefore raise the question
whether the impact of the stochastic perturbations on the ascending motions is reflected in these weather phenomena. We show that stochastic model perturbations modulate the global precipitation distribution consistently with their impact on the vertical velocities and result in a shift of the distribution towards higher values. Also the impact on the large-scale flow in the midlatitudes is in accordance with the increased frequency of WCBs. Experiments with stochastic model uncertainty schemes are characterized by an increased amplitude of the upper-level Rossby wave pattern and by a poleward shift of the tropopause compared to forecasts with an unperturbed model. The results are corroborated by comparing the waviness of the dynamical tropopause of perturbed an unperturbed forecasts in a large reforecast
data. The consistency of the modulation of the vertical velocities and the Rossby wave amplitude across different schemes and seasons suggests that WCBs project the unilateral effect of the perturbations onto the large-scale circulation. Although the magnitude of the effect is relatively small, it illustrates the role of WCBs in communicating signals across different scales and vertical levels.
The second overarching aspect of this thesis is the systematic investigation of the role of WCBs for errors in operational forecasts. By exploiting a unique data set of WCB trajectories in the North Atlantic domain in operational ECMWF ensemble forecasts initialized in three winter seasons, the analysis attempts to isolate the impact of WCBs on the degradation of forecast skill and to corroborate the findings of previous studies that approached the topic on a case study basis. We find that forecast errors are climatologically co-located with regions where WCBs occur, and forecasts that are characterized by high WCB activity have on average lower skill than forecasts with low WCB activity. The forecast time when the error growth over the North Atlantic domain is largest is characterized by anomalously high WCB activity. Composites of normalized forecast errors centered on WCB objects reveal that WCBs are associated
with characteristic spatio-temporal patterns of increased forecast errors. The error patterns in the mid-troposphere are related to an upstream trough and a ridge developing downstream, but feature a large case-to-case variability. In the upper troposphere, in contrast, the degradation of the forecast skill is robust across many cases and is associated with the jet streak on the northern flank of the upper-level ridge. This analysis provides evidence that WCBs are involved in the growth and amplification of forecast errors and emphasizes the need for the improvement of their representation for skillful forecasts.