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In fluence parameters for a polar mesocyclone development

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Polar mesocyclones are small-scale, short-living phenomena in the Arctic and Antarctic. Their forecast is difficult due to a lack of knowledge of initial and boundary conditions. Idealised sensitivity studies are performed with the mesoscale atmosphere - sea ice model METRAS-MESIM to evaluate the relevance of the large-scale meteorological situation and sea ice cover for surface heat fluxes and a mesocyclone development. The evaluation area is 340 km × 340 km, and a sea ice distribution typical for the Fram Strait is used. The area averaged surface heat flux strongly depends on the ice distribution. The surface heat flux is about 95 W m for a mesocyclone moving close to the ice edge and a high sea ice concentration of 97 % in the ice covered region. Ice thickness and ocean currents do not significantly influence the average surface heat fluxes. A large-scale situation that alters the cyclone track and forces the cyclone to mostly move over ice (cover 97 %) reduces the average surface heat flux by 30 %. An increase of the heat flux by 81 % is found for a homogeneous ice distribution with the same total sea ice mass. A decrease of sea ice concentration from 97 % to 75 % increases the average surface heat flux by 44 %. Thus, for the forecast of average surface heat fluxes during a cyclone passage the knowledge of the sea ice distribution is more relevant than the knowledge of the cyclone track. The break up of sea ice distant from the ice edge might trigger the development of enhanced baroclinicity over ice covered regions and, thus, favour conditions for a mesocyclone intensification. The mesocyclone development is mainly determined by intensi fication at the ice edge resulting from enhanced surface heat fluxes and horizontal temperature gradients in that region. If the cyclone moves over densely ice covered regions the central pressure is up to 6 hPa higher than when it passes close to the ice edge. A homogeneous sea ice cover leads to a maximum pressure difference of 4 hPa. A 22 % reduction of sea ice concentration in the ice covered regions results in maximum pressure deviations of 2 hPa and an increase of the area averaged wind speed by 2 m s. Thus, for the forecast of minimum central pressure and wind speed of a polar mesocyclone the cyclone track with respect to the ice distribution needs to be known. The actual pressure may be influenced by the cyclone passage itself by changing the sea ice distribution.

Polare Mesozyklonen sind kleinskalige kurzlebige Phänomene in der Arktis und Antarktis. Ihre Vorhersage ist aufgrund der Unsicherheit in den Anfangs- und Randbedingungen schwierig. Idealisierte Sensitivitätsstudien werden mit dem mesoskaligen Atmosphäre-Meereismodell METRAS-MESIM durchgeführt, um den Einfluss der großskaligen meteorologischen Situation und der Meereisbedeckung auf die Oberflächenwärmeflüsse und die Entwicklung mesoskaliger Zyklonen zu bewerten. Das Untersuchungsgebiet umfasst 340 km × 340 km, und eine für die Framstraße typische Meereisverteilung wird vorgegeben. Der über das Evaluierungsgebiet gemittelte Oberflächenwärmefluss hängt stark von der Meereisverteilung ab. Der Oberflächenwärmefluss ist 95 W m−2, wenn sich die Mesozyklone entlang des Eisrandes bewegt und der Eisbedeckungsgrad im eisbedeckten Gebiet hoch ist (97 %). Die Eisdicke und die ozeanische Strömung haben keinen signifikanten Einfluss auf den mittleren Oberflächenwärmefluss. Eine großskalige meteorologische Situation, die zu einer Zyklonenzugbahn über eisbedecktem Gebiet (Bedeckungsgrad 97 %) führt, verringert den Oberflächenwärmefluss um 30%. Eine Zunahme von 81% ergibt sich bei homogener Eisverteilung und gleicher Gesamtmasse des Eises. Eine Verringerung des Bedeckungsgrads von 97 % auf 75 % erhöht den mittleren Oberflächenwärmefluss um 44 %. Somit ist für die Vorhersage des mittleren Oberflächenwärmeflusses während eines Zyklonendurchgangs die Kenntnis der Meereisverteilung wichtiger ist als die der Zyklonenzugbahn. Das Aufbrechen des Meereises in Entfernung vom Eisrand könnte zur Entwicklung von Gebieten erhöhter Baroklinität über Meereis und so zu günstigen Bedingungen für die Intensivierung von Mesozyklonen führen. Die Mesozyklonenentwicklung wird vor allem durch die Intensivierung am Eisrand aufgrund starker Oberflächenwärmeflüsse und horizontaler Temperaturgradienten in diesem Gebiet bestimmt. Bewegt sich eine Zyklone überwiegend über eisbedecktem Gebiet mit hohem Eisbedeckungsgrad, so ist der Kerndruck im Vergleich zu einer Zyklone, die entlang des Eisrandes zieht, um 6 hPa erhöht. Eine homogene Meereisbedeckung führt zu maximalen Kerndruckabweichungen von 4 hPa. Ein um 22 % reduzierter Bedeckungsgrad im eisbedeckten Gebiet verursacht eine maximale Kerndruckänderung von 2 hPa und eine Zunahme der gebietsgemittelten 10m-Windgeschwindigkeit von 2 m s−1. Für die Vorhersage des Kerndrucks und der Windgeschwindigkeit einer polaren Mesozyklone muss daher die Zugbahn in Relation zur Eisverteilung bekannt sein. Der Kerndruck kann auch durch den Zyklonendurchgang selbst beeinflusst sein, da dieser die Meereisverteilung ändert.

Document Type: Research Article

DOI: http://dx.doi.org/10.1127/0941-2948/2005/0077

Publication date: December 1, 2005

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