Original paper
Assessment of winter cyclone activity in a transient ECHAM4-OPYC3 GHG experiment
Pinto, Joaquim G.; Spangehl, Thomas; Ulbrich, Uwe; Speth, Peter
Meteorologische Zeitschrift Vol. 15 No. 3 (2006), p. 279 - 291
published: Jul 10, 2006
DOI: 10.1127/0941-2948/2006/0128
Open Access (paper may be downloaded free of charge)
Abstract
Winter cyclone activity over the Northern Hemisphere is investigated in an ECHAM4/OPYC3 greenhouse gas scenario simulation. The goal of this investigation is to identify changes in cyclone activity associated with increasing concentrations. To this aim, two 50-year time periods are analysed, one representing present day climate conditions and the other a perturbed climate when CO2 concentrations exceed twice the present concentrations. Cyclone activity is assessed using an automatic algorithm, which identifies and tracks cyclones based on sea level pressure fields. The algorithm detects not only large and long living cyclones over the main ocean basins, but also their smaller counterparts in secondary storm track regions like the Mediterranean Basin. For the present climate, results show a good agreement with NCEP-reanalysis, provided that the spectral and time resolutions of the reanalysis are reduced to those available for the model. Several prominent changes in cyclone activity are observed for the scenario period in comparison to the present day climate, especially over the main ocean basins. A significant decrease of overall cyclone track density is found between 35 and 55 degrees North, together with a small increase polewards. These changes result from two different signals for deep and medium cyclones: for deep cyclones (core pressure below 990 hPa) there is a poleward shift in the greenhouse gas scenario, while for medium cyclones (core pressure between 990 and 1010 hPa) a general decrease in cyclone counts is found. The same kind of changes (a shift for intense cyclones and an overall decrease for the weaker ones) are detected when distinguishing cyclones from their intensity, quantified in terms of ∇2p. Thus, the simulated changes can not solely be attributed to alterations in mean sea level pressure. Instead, corresponding increases in upper-tropospheric baroclinicity suggest more favourable conditions for the development of stronger systems at higher latitudes, especially at the delta regions of the North Atlantic and the North Pacific storm tracks.
Kurzfassung
Die winterliche Zyklonenaktivität der Nordhemisphäre wird ausgehend von einem TreibhausgasSzenarienlauf des ECHAM4/OPYC3 Modells untersucht. Ziel ist es, die mit einer Erhöhung von Treibhausgaskonzentrationen in Verbindung stehenden Veränderungen in der Zyklonenaktivität zu identifizieren. Hierzu werden zwei 50-jährige Zeiträume analysiert: einer davon repräsentiert das aktuelle Klima, der andere ein Klima in dem der CO2-Gehalt mehr als verdoppelt ist. Die Zyklonenaktivität wird ausgehend von MSLP Feldern mittels eines automatischen Verfahrens zur Identifikation und Zugbahnberechnung bestimmt. Der zu Grunde liegende Algorithmus ist in der Lage sowohl umfangreiche und langlebige Zyklonen über den großen Ozeanbecken zu erkennen, als auch deren kleinskaligere Gegenstücke in sekundären stormtrack-Regionen wie z. B. dem Mittelmeer. Die Modellergebnisse für das aktuelle Klima zeigen eine gute Übereinstimmung mit den NCEP-Reanalysen, vorausgesetzt dass deren spektrale und zeitliche Auflösung an die Modellauflösung angepasst wird. Ein Vergleich zwischen anthropogen verändertem und aktuellem Klima zeigt besonders über den großen Ozeanbecken Veränderungen in der Zyklonenaktivität auf. So wird eine allgemeine Abnahme der Zugbahndichte zwischen 35 und 55 Grad Nord gefunden, welche mit einer leichten Zunahme nördlich davon einhergeht. Zu diesem Signal tragen tiefe und flachere Zyklonen in unterschiedlicher Weise bei. Während tiefe Zyklonen (Kerndruck unter 990 hPa) eine polwärtige Verschiebung aufweisen, zeigen flachere Zyklonen (990 bis 1010 hPa) eine generelle Abnahme. Entsprechende Signale ergeben sich, wenn man die Intensität der Zyklonen hinsichtlich der Größe ∇2p unterscheidet: polwärtige Verschiebung intensiver sowie Abnahme der Anzahl schwächerer Zyklonen. Somit kann das Zyklonensignal nicht alleine mit Trends im mittleren Luftdruck erklärt werden. Vielmehr lassen Veränderungen der obertroposphärischen Baroklinität auf günstigere Bedingungen zur Entwicklung starker Zyklonen in höheren Breiten schließen. Dies trifft insbesondere auf das Delta des nordatlantischen sowie des nordpazifischen storm tracks zu.