Cloud-Radiative Impact on the Dynamics of Extratropical Cyclones and Implications for Predictability

Die Dynamik und Vorhersagbarkeit von außertropischen Zyklonen wird stark von diabatischen Wolkenprozessen beeinflusst. Während der Einfluss der Wolken aufgrund der mit ihr verbundenen Freisetzung latenter Erwärmung im Mittelpunkt vieler Studien steht, ist über den Einfluss der „Cloud Radiative Heating“ (CRH) auf die Dynamik außertropischer Zyklone wenig bekannt. In dieser Arbeit untersuchen wir den Einfluss der CRH auf die Dynamik außertropischer Zyklone und ihre Auswirkungen auf deren Vorhersagbarkeit. Mit dem ICOsahedral Nonhydrostatic (ICON) Modell, kombinieren wir verschiedene Modellierungsansätze und -methoden, von idealisierten Simulationen barokliner Lebenszyklen in verschiedenen Modell-Setups und Hindcast-Simulationen über dem Nordatlantik bis hin zu Large-Eddy-Modell-Simulationen. ... mehrDer Mehrwert eines solchen ganzheitlichen Ansatzes besteht darin, dass wir ein umfassendes Verständnis der Auswirkungen von CRH auf die Dynamik von Zyklonen gewinnen.

Wir entwickeln ein neues Modellierungsverfahren, das die Auswirkungen von CRH auf idealisierte Zyklone auf eine leicht zu interpretierende Weise isoliert. Mithilfe dieses Verfahrens finden wir heraus, dass CRH einen erheblichen Einfluss auf die Dynamik idealisierter außertropischer Zyklone hat. Wir identifizieren sich kompensierende Mechanismen zwischen den Strahlungseffekten von tiefliegenden Wolken, die Zyklonen schwächen, und hochliegenden Wolken, die Zyklonen stärken. Wir untersuchen die Auswirkungen von CRH in Bodennähe und in den oberen Schichten nahe der Tropopause und stellen fest, dass die Auswirkungen von CRH in den oberen Schichten am stärksten sind.

Um die Auswirkungen von CRH auf die Zirkulation in der oberen Troposphäre zu verstehen, diagnostizieren wir die Entwicklung der Unterschiede in der potenziellen Vorticity zwischen einer Simulation mit und ohne CRH, und wir quantifizieren, durch welche Prozesse diese Unterschiede im Laufe des Lebenszyklus des Zyklons wachsen. Es zeigt sich, dass CRH die Zyklone hauptsächlich über die verstärkte Freisetzung latenter Wärme durch mikrophysikalische Wolkenprozesse und anschließende Veränderungen der großräumigen obertroposphärischen Strömung nahe der Tropopause beeinflusst. Unsere Ergebnisse zeigen, dass CRH, obwohl sie vergleichsweise gering ist, außertropische Zyklone durch kontinuierliche Modulation der mikrophysikalischen Erwärmung in Wolken und der großräumigen Strömung beeinflussen kann. Daher ist es möglich, dass Unsicherheiten in der CRH die Entwicklung von Zyklonen und die numerischen Vorhersagen auf synoptischen Skalen beeinflussen können.

Wir bewerten die Unsicherheit in der CRH über die Unsicherheit in der Darstellung des Wolkenfeldes in Bezug auf die Modelleinstellungen über dem Nordatlantik. Es zeigt sich, dass die Empfindlichkeit gegenüber der Wahl der Modellauflösung zwar begrenzt ist, die CRH sich jedoch je nach Mikrophysik und Konvektionsschemata drastisch ändert. Insbesondere zeigen wir, dass die Verteilung der Vertikalgeschwindigkeit und das Wolkeneis-Massenmischungsverhältnis entscheidende Faktoren für die Veränderung der modellierten CRH sind. Unsere Ergebnisse zeigen einen klaren Vorteil von hochauflösenden Simulationen mit expliziter Darstellung der Konvektion, die Aufwinde direkt mit dem Wolkenfeld interagieren lassen, um die CRH zu simulieren. Im Anschluss an diese Ergebnisse quantifizieren wir die Quellen der Unsicherheiten in der CRH basierend auf Unsicherheiten bei der Behandlung des Strahlungstransfers innerhalb eines idealisierten außertropischen Zyklons. Zu diesem Zweck kombinieren wir Large-Eddy-Model-Simulationen mit Offline-Berechnungen des Strahlungstransfers über verschiedene Bereiche des Zyklons. Wir stellen fest, dass die Parametrisierung der optischen Eigenschaften des Eises und der horizontalen Heterogenität der Wolken die beiden Faktoren sind, die am meisten zur mittleren Unsicherheit in der CRH auf größeren räumlichen Skalen beitragen und die für die großräumige Dynamik der Zyklone relevanter sein können. Andererseits sind die 3D-Strahlungsantriebe durch Wolken im Durchschnitt viel kleiner, insbesondere für stratiforme Wolken innerhalb des „Warm-Conveyor-Belts“ der Zyklone. Unsere Analyse zeigt insbesondere das Potenzial zur Verbesserung der Simulation von CRH durch eine bessere Darstellung der optischen Eigenschaften von Eis.

Um die Lücke zwischen idealisierten Studien und praktischen Anwendungen zu schließen, untersuchen wir die Auswirkungen von CRH und ihrer Unsicherheit auf die Dynamik von vier nordatlantischen Zyklonen. Wir stellen fest, dass CRH einen signifikanten Einfluss auf die Dynamik der nordatlantischen Zyklone hat. In Übereinkunft mit der idealisierten Studie beeinflusst CRH die Dynamik der Zyklone über Veränderungen der latenten Erwärmung und in der Folge der großräumigen Strömung in der Nähe der Tropopause. Schließlich zeigen wir, dass Unsicherheiten im CRH aufgrund der Parametrisierung der Strahlung die Entwicklung der potentiellen Vorticity in der Nähe der Tropopause beeinflussen.

Der neuartige Aspekt dieser Arbeit besteht darin, dass wir zum ersten Mal i) den Mechanismus des Einflusses der Strahlungsantriebes der Wolken auf die Dynamik außertropischer Zyklone beleuchten; ii) die Unsicherheit in der CRH in der außertropischen Atmosphäre aufgrund verschiedener Faktoren systematisch bewerten; iii) den Einfluss der CRH auf die Dynamik nordatlantischer Zyklone untersuchen; und iv) zeigen, dass Unsicherheiten in der CRH für die Modellvorhersagen außertropischer Zyklone relevant sind.

The dynamics and predictability of extratropical cyclones are strongly shaped by cloud diabatic processes. While the cloud impact due to latent heating has been the focus of many studies, little is known about the impact of cloud radiative heating (CRH) on the dynamics of extratropical cyclones. In this thesis, we investigate the impact of CRH on the dynamics of extratropical cyclones and its implications for cyclone predictability. Using the ICOsahedral Nonhydrostatic (ICON) model, we combine different modeling approaches and methods, from idealized baroclinic life cycle simulations in different model setups and hindcast simulations over the North Atlantic region to large-eddy-model simulations. ... mehrThe added value of such a holistic approach is that we gain a comprehensive understanding of the impact of CRH on the dynamics of cyclones.

We develop a new modeling technique that isolates the impact of CRH on idealized cyclones in an easy-to-interpret manner. Using this modeling technique, we find that CRH has a substantial impact on the dynamics of idealized extratropical cyclones. We identify a tug-of-war between the radiative impact of low-level clouds, which weaken cyclones, and high-level clouds, which strengthen cyclones. We study the impact of CRH near the surface and at upper levels near the tropopause and find that the impact of CRH is most prominent at upper levels.

To understand the impact of CRH on the upper-tropospheric circulation, we diagnose the evolution of differences in potential vorticity between a simulation with and without CRH, and we quantify through which processes these differences grow over the course of the cyclone’s life cycle. We find that CRH affects the cyclone mostly via the intensification of latent heating from cloud microphysical processes and subsequent changes in the large-scale flow near the tropopause. Our results show that although CRH is comparably small in magnitude, it can affect extratropical cyclones through continuous modulation of cloud microphysical heating and subsequently the large-scale flow. Therefore it is possible that uncertainties in CRH can affect the development of cyclones and the numerical forecasts at synoptic scales.

We assess the uncertainty in CRH due to the uncertainty in the representation of the cloud field with respect to model settings over the North Atlantic. We find that while the sensitivity to model resolution is limited, the CRH changes dramatically with microphysics and convection schemes. In particular, we show that the distribution of vertical velocity and cloud ice mass mixing ratio are critical factors in modifying the modeled CRH. Our results show a clear benefit of high-resolution simulations with explicit representation of convection, which allow updrafts to interact directly with the cloud field for simulating the CRH. Following these results, we quantify sources of uncertainty in CRH due to the uncertainties in the treatment of radiative transfer within an idealized extratropical cyclone. To this end, we combine large-eddy-model simulations with offline radiative transfer calculation over different regions of the cyclone. We find that parameterization of ice optical properties and cloud horizontal heterogeneity are the two factors contributing most to the mean uncertainty in CRH at larger spatial scales and can be more relevant for the large-scale dynamics of the cyclone. On the other hand, 3D cloud-radiative effects are much smaller on average, especially for stratiform clouds within the warm conveyor belt of the cyclone. Our analysis in particular highlights the potential to improve the simulation of CRH by better representing ice optical properties.

To bridge the gap between idealized studies and practical applications, we investigate the impact of CRH and its uncertainty on the dynamics of four North Atlantic cyclones. We find that CRH has a significant impact on the dynamics of North Atlantic cyclones. Consistent with the idealized study, CRH affects the dynamics of cyclones via changes in latent heating and subsequently the large-scale flow near the tropopause. Finally, we show that CRH uncertainties due to the radiation parameterization affect the evolution of potential vorticity near the tropopause.

The novelty of this thesis is that, for the first time, i) we shed light on the mechanism of the cloud-radiative impact on the dynamics of extratropical cyclones; ii) we systematically assess the uncertainty in the CRH in the extratropical atmosphere due to different factors; iii) we study the impact of the CRH on the dynamics of North Atlantic cyclones; and iv) we show that uncertainties in the CRH are relevant for the model predictions of extratropical cyclones.