Unifying Perspectives on Atmosphere-Ocean Interactions during Cyclone Development

Ekstratropiske lavtrykk er sentrale for klima og vær ved midlere breddegrader, der luft-sjø-interaksjoner spiller en avgjørende rolle for deres opprinnelse og intensivering, og dette gir således usikkerheter i modellene og utfordringer for prognosene. Forståelse av samspillet mellom fronter i havets overflatetemperatur og atmosfæren er derfor avgjørende for å forstå rollen av diabatiske prosesser i ekstratropiske lavtrykk, og kan derfor begrense usikkerheten. Mens nyere studier framhever betydningen av luft-sjø-interaksjoner for utvikling og intensivering av lavtrykk, mangler vi fremdeles et teoretisk rammeverk som forener fuktig baroklin påvirkning av luft-sjø-interaksjon og diabatiske prosesser. I løpet av det siste året deltok forskerne innen UNPACC på digitale EGU-konferanser med tre presentasjoner. Gruppens numeriske modelleringsrammeverk har blitt brukt til idealiserte studier av ekstratropiske sykloner med spesifikt foreskrevet havoverflatetemperatur (SST) som ble flyttet under syklonen. Flere følsomhetseksperimenter er utført, og analysen indikerer en sterk respons av syklonutviklingen med hensyn til den underliggende SST og dens gradient, slik at sykloner utvikler seg sterkere over høyere SST mens intensiveringen svekkes når de beveger seg over lavere SST. Det ble funnet ut at følbare varmeflukser dempe rsyklonutviklingen, mens latente varmestrømmer bidrar til en ytterligere intensivering. To artikler ble publisert om disse funnene i 2020, og en er i forberedelse til 2021 om utvidede idealiserte simuleringer. ERA-Interim-dataene har blitt brukt til å klassifisere sykloner med hensyn til deres bevegelse langs eller over SST-fronten i Atlanterhavet og Kuroshio-regionen. Resultatene indikerer at sykloner reagerer sterkest på SST-fronten når banen deres krysser fronten fra den varmere til den kaldere SST-siden. Mens kontrasten mellom land og hav spiller en betydelig rolle i området rundt Golfstrømmen, har posisjonen til jetstrømmen og intensiteten i Kuroshio en mer dominerende rolle. Disse resultatene er publisert i to artikler i Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. Videre testet vi viktigheten av SST-fronten ved å bruke modellsimuleringer med en realistisk og jevn SST-front. Kontrollkjøringen bekreftet analysen vår med ERA-Interim-data. Videre fant vi at bidraget fra overflatefluksene i Golfstrømmen og Kuroshio-regionen var sterkest påvirket i perioder der ingen sykloner var til stede, noe som støtter argumentet om at SST-fronten kanskje ikke hadde en direkte innflytelse på syklonutviklingen. Når det gjelder samspillet mellom atmosfæriske og oseaniske fronter, har vi utviklet et nytt teoretisk rammeverk om hvordan de underliggende SST-gradientene påvirker atmosfærisk frontdannelse lavt nede. Dette er lagt ut for publisering i 2020 og er for tiden under fagfellevurdering. Modellen vil bli utvidet til å omfatte vertikal bevegelse tvunget av samspillet mellom fronter og havoverflatens temperaturgradienter. Beregningene vil bli fullført og resultatene vil bli beskrevet i en artikkel som skal skrives de kommende månedene. Vi undersøkte også konkrete eksempler på sykloner som etterlot områder med forsterket baroklinisitet. For ekstremværet Dagmar fant vi en direkte kobling fra diabatisk tilgjengelig potensiell energiproduksjon til eddy kinetisk energi. Vi sammenlignet den isentropiske skråningsfordelingen med den tidsmessige fordelingen av ekstratropisk syklonforekomst og foreslår derved en ny hypotese for dannelsen av klyngebegivenheter. Dette arbeidet ble utgitt i 2020. Vi kompilerte også kompositter av eksempler for klyngede og ikke-klyngede hendelser, for å se om andre klyngeeksempler oppfører seg på samme måte som Dagmar-saken. De første resultatene indikerer at diabatisk oppvarming langs den etterfølgende kaldfronten er en generell egenskap ved klynging. Vi forbereder for tiden en klimatologisk studie som skal leveres inn de neste månedene.

Researchers within UNPACC made great progress in understanding the interactions between the atmosphere and the ocean and their implications for cyclone development. The researchers worked efficiently and published eight papers in international journals and two more are currently under review with two further papers in preparation. The main finding is that that SSTs can play a significant role in cyclone development, such that the additional moisture provided over higher SSTs can yield stronger development of storms. On the other hand, an increase in the gradient of the SST, for example along the Gulf Stream or Kuroshio, does not play a significant direct role in the development of storms in the respective region. These findings have ramifications for weather and climate, where it appears more crucial to represent eventual SST anomalies than variations in the gradient of the SST.

Extratropical cyclones are a key feature of the mid-latitude climate and weather, where unresolved mesoscale air-sea interactions are thought to play a crucial role in their genesis and intensification, yielding model uncertainties and forecast challenges. Understanding these mesoscale interactions between ocean sea surface temperature fronts, ocean eddies, and the atmosphere is thus essential for understanding the role of diabatic processes in extratropical cyclones and constraining uncertainty. While recent studies highlight the importance of mesoscale air-sea interactions for the development and intensification of cyclones, we are still lacking a theoretical framework unifying moist baroclinic and frontal-wave instability under the influence of air-sea interaction and diabatic processes. How do oceanic fronts and eddies influence the genesis and intensification of cyclones? What is the role of mesoscale air-sea interaction processes for the upscale growth of instabilities? Can such instabilities trigger or inhibit the intensification of extratropical cyclones? What are the underlying mechanisms for diabatic amplification of energy conversion in extratropical cyclones? We will establish an innovative collaboration in atmospheric dynamics and air-sea interactions by combining key and complementary expertise from the Universities of Bergen, Monash (Australia), East Anglia (UK), Texas A&M (USA), Tokyo (Japan) as well as ECMWF (UK). The central goal of the collaboration is to elucidate and quantify the mechanisms responsible for extratropical cyclone intensification associated with mesoscale air-sea interactions. Our approach utilizes novel detection routines on high-resolution coupled model datasets and reanalyzes as well as idealized and real case simulations. As the integrated framework is grounded in fundamental dynamics, we expect UNPACC to yield a unified framework for moist frontal-baroclinic instability theory including the influence of air-sea interactions.