Universitätsbibliothek Wien

Corrected energy fluxes as evaluated from reanalysis data

Mayer, Michael (2010) Corrected energy fluxes as evaluated from reanalysis data.
Diplomarbeit, University of Vienna. Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
BetreuerIn: Haimberger, Leopold

[img]
Preview
PDF
Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved

Download (60Mb)
DOI: 10.25365/thesis.10602
URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-30156.63894.789753-5

Link zu u:search

Abstract in English

Vertically integrated budget equations of the total atmospheric energy, particularly the horizontal energy flux divergence, are a powerful tool for climate diagnostics. Using reanalysis data, the horizontal energy flux divergence can be computed in two ways. The direct method computes it directly from the temperature, moisture, pressure and velocity field. This is a simple method but the results are not very useful because of mass inconsistencies of the prediction model and the coarse time resolution. Mass inconsistency can be seen from averaging the pressure tendencies of the first forecast step over a longer period of time. The result is nonzero, which in consequence leads to spurious energy flux divergences too. The mass inconsistencies can be removed with the help of the analysed pressure field. The indirect method computes the energy flux divergence as residual from the 12-hourly forecasts of the energy tendency, RadTOA and Fs, which leads to much smoother fields, as vertical fluxes are accumulated at full temporal resolution. This method also suffers from spurious pressure tendencies, but these can again be corrected with the help of the analysed pressure field. With this method the computed field of energy flux divergences becomes very realistic and shows important climatological features such as regions with strong energy flux divergence over warm ocean currents. In the next step, we use the fact that only the purely divergent part of the meridional energy flux leads to a net energy transport towards the Earth’s poles. So for the computation of the net meridional energy flux only the field of energy flux divergences is needed. Using spherical harmonics and by zonal averaging we get corrected and uncorrected meridional energy fluxes at every latitude. Considering several physical constraints we try to find the method leading to the most reliable results. With the availability of the European Re-Analysis-Interim (ERA-Interim) data from 1989-2009 a long-term study is performed in order to get insight into long-time tendencies in energy fluxes and the hydrological cycle. Time series of moist and dry energy fluxes are particularly interesting because evaluation of the IPCC-AR4 (International Panel on Climate Change - 4th Assessment Report) models indicates that the meridional energy fluxes will increase significantly in future due to global warming. It shall be investigated, if such an increase is already detectable in the period covered by ERA-Interim. Furthermore a comparison of ERAInterim and ERA-40 (European 40 years Re-Analysis) is carried out to show the improvements of the newer reanalysis.

Schlagwörter in Englisch

energy flux divergence / reanalysis / climate diagnostics

Abstract in German

Vertikal integrierte Haushaltsgleichungen des totalen atmosphärischen Energiegehalts, insbesondere die horizontale Energieflussdivergenz, sind ein wertvolles Mittel zur Klimadiagnostik. Unter der Verwendung von Reanalysedaten kann die horizontale Energieflussdivergenz auf zwei verschiedene Arten berechnet werden. Die direkte Methode berechnet sie aus den Feldern von Temperatur, Feuchte, Druck und Wind. Dies ist ein intuitiver Ansatz, leidet aber unter relativ geringer zeitlicher Auflösung und Problemen des Vorhersagemodells mit der Massenkonsistenz. Zeitlich gemittelte Felder von Bodendruckvorhersagen zeigen diese Unzulänglichkeit deutlich, da die lokalen Drucktendenzen nicht verschwinden. Diese fehlerhaften Massenflussdivergenzen beeinflussen auch die Energieflussdivergenzen. Die analysierte Bodendrucktendenz kann zur Korrektur der fehlerhaften Vergenzen verwendet werden. Die indirekte Methode berechnet die Energieflussdivergenzen als Residual aus den zwölfstündigen Vorhersagen für die Strahlung am Oberrand der Atmosphäre, die Bodenflüsse und die vertikal integrierte Energietendenz. Diese Methode führt zu einem wesentlich weniger verrauschten Ergebnis, da die vertikalen Flüsse als zeitlich akkumulierte Felder vorliegen. Auch die indirekte Methode ist von fehlerhaften Drucktendenzen betroffen. Die Ergebnisse können wieder mit Hilfe der analysierten Bodendrucktendenz korrigiert werden. Die berechneten Energieflussdivergenzen zeigen ein sehr realistisches Bild und weisen wichtige klimatologische Charakteristika - wie zum Beispiel Gebiete mit starker Energieflussdivergenz über warmen Meeresströmungen - auf. Im nächsten Schritt nutzen wir die Tatsache, dass der rein divergente Anteil des Energieflusses bereits den gesamten effektiven polwärtigen Energietransport darstellt. Deshalb genügt für die Berechnung der Nettoenergieflüsse bereits das Feld der Energieflussdivergenzen. Unter Verwendung der Kugelflächenfunktionen und nach zonaler Integration erhält man korrigierte und unkorrigierte meridionale Energieflüsse über jeden beliebigen Breitenkreis. Durch Überprüfung der Ergebnisse anhand klimatologischer Konsistenzüberlegungen wird versucht, die zu den vertrauenswürdigsten Resultaten führende Methode zu finden. Mit Daten von ’European Re-Analysis-Interim’ (ERA-Interim), aktuell verfügbar von 1989 bis 2009, wird eine Langzeitstudie des Energie- und Feuchtehaushaltes durchgeführt. Zeitreihen der feuchten und trockenen Energieflüsse sind insbesondere deshalb interessant, da eine Untersuchung der für den vierten Bericht des IPCC (International Panel on Climate Change - 4th Assessment Report) verwendeten Klimamodelle ergab, dass meridionale Energieflüsse durch die global Erderwärmung einen signifikanten Anstieg erfahren werden. Es soll untersucht werden, ob ein derartiger Anstieg bereits in der von ERA-Interim abgedeckten Periode erkennbar ist. Weiters sollen ERA-Interim und ERA-40 (European 40 years Re-Analysis) verglichen werden, um die Verbesserungen der neueren Reanalyse deutlich zu machen.

Schlagwörter in Deutsch

Energieflüsse / Reanalyse / Klimadiagnostik

Item Type: Hochschulschrift (Diplomarbeit)
Author: Mayer, Michael
Title: Corrected energy fluxes as evaluated from reanalysis data
Umfangsangabe: IV, 92 S. : Ill., graph. Darst.
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Publication year: 2010
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Haimberger, Leopold
Assessor: Haimberger, Leopold
Classification: 38 Geowissenschaften > 38.82 Klimatologie
AC Number: AC08203030
Item ID: 10602
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

Urheberrechtshinweis: Für Dokumente, die in elektronischer Form über Datennetze angeboten werden, gilt uneingeschränkt das österreichische Urheberrechtsgesetz; insbesondere sind gemäß § 42 UrhG Kopien und Vervielfältigungen nur zum eigenen und privaten Gebrauch gestattet. Details siehe Gesetzestext.

Edit item (Administrators only) Edit item (Administrators only)