Original paper

The extratropical transition of Hurricane Erin (2001): a potential vorticity perspective

Röbcke, Matthias; Jones, Sarah C.; Majewski, Detlev

Meteorologische Zeitschrift Vol. 13 No. 6 (2004), p. 511 - 525

published: Dec 23, 2004

DOI: 10.1127/0941-2948/2004/0013-0511

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Abstract

The Ertel potential vorticity (PV) is a powerful tool that provides insight into the development and evolution of weather systems. In this study the extratropical transition of Hurricane Erin (2001) is investigated from a PV perspective using operational analyses along with best track data and satellite imagery. Insight is gained from dynamic tropopause maps, on which potential temperature and wind are plotted on a constant PV surface - denoted an isertelic surface in deference to Ertel. The addition of low-level PV to the dynamic tropopause maps gives a clear overview of extratropical transition. On dynamic tropopause maps an upperlevel trough appears as a region of low isertelic potential temperature, i.e. a tropopause depression. Two tropopause depressions interacted with Hurricane Erin. During the first interaction the hurricane recurved, but the tropopause depression passed to the north of the hurricane. At this time the circulation of Erin was impinging on the low-level baroclinic zone. During the interaction with the second tropopause depression the hurricane accelerated northeastwards and reintensified rapidly as an extratropical cyclone. The reintensification began when Erin moved into a favourable location for cyclogenesis both from a PV perspective, since Erin was located directly to the east of the tropopause depression, and from quasigeostrophic dynamics, since Erin was located between the entry region of a downstream jet and the exit region of an upstream jet streak. Subsequently, the tropopause depression wrapped up cyclonically and the low-level PV remnants of Hurricane Erin moved into the centre of the extratropical cyclone, thus enhancing the surface winds. Vertical cross sections through the tropical and midlatitude PV anomalies illustrate their approach and interaction. Both PV diagnostics and trajectory calculations indicate that the outflow of a second tropical cyclone, Gabrielle, steepened the tropopause in the region of the upstream jet streak, thus strengthening the upstream jet streak and contributing to Erin's reintensification. Time series of dynamic tropopause maps and trajectory calculations suggest that the pronounced ridging downstream of Erin can be attributed to the outflow of Erin. The downstream impact of the outflow extended across the Atlantic basin and influenced western Europe.

Kurzfassung

Die Ertelsche potentielle Vorticity (PV) ist eine hervorragend geeignete Größe, um Erkenntnisse über die Bildung und Entwicklung von Wettersystemen zu gewinnen. In dieser Studie wird die Umwandlung des Hurrikans Erin (2001) in ein außertropisches Tiefdrucksystem mittels der PV-Denkweise untersucht. Der Untersuchung liegen operationelle Analysen, sowie best track Daten und Satelliten-Bilder zugrunde. Ein Einblick wird durch dynamische Tropopausenkarten gewonnen, auf denen potentielle Temperatur und Wind auf konstanten PV-Flächen geplottet werden, auch isertelische Flächen zu Ehren Ertels genannt. Das Hinzufügen von PV niederer Höhen zu dynamischen Tropopausenkarten ermöglicht einen guten Überblick über die Umwandlung tropischer Wirbelstürme in außertropische Tiefdruckgebiete. Auf dynamischen Tropopausenkarten erscheint ein Höhentrog als ein Gebiet niedriger potentieller Temperatur d.h. als Tropopausen-Absenkung. Zwei Tropopausen-Absenkungen traten mit Hurrikan Erin in Wechselwirkung. Während der ersten Wechselwirkung drehte der Wirbelsturm nach Nordosten ab und die Tropopausen-Absenkung zog nördlich des Hurrikans vorbei. Zu diesem Zeitpunkt traf die Zirkulation Erins auf die barokline Zone der unteren Schichten. Während der Wechselwirkung mit der zweiten Tropopausen-Absenkung beschleunigte der Hurrikan nordostwärts und reintensivierte sich rasch zu einem außertropischen Tief. Die Reintensivierung begann, als sich Erin in ein für Zyklogenese günstiges Gebiet bewegte. Aus der PV-Perspektive lag Erin direkt östlich einer lokal abgesenkten Tropopause. Aus Sichtweise der quasi-geostrophischen Dynamik lag Erin zwischen dem Eingangsbereich eines stromabwärts gelegenen und dem Ausgangsbereich eines stromaufwärts gelegenen Strahlstromes. Nachfolgend wickelte sich die Tropopausen-Absenkung zyklonal auf und die PV-Überbleibsel von Hurrikan Erin in der unteren Troposphäre bewegten sich in das Zentrum des außertropischen Tiefs und verstärkten somit die bodennahen Winde. Vertikale Querschnitte durch die PV-Anomalien der Tropen und Außertropen illustrieren die Annäherung und Wechselwirkung der PV-Anomalien. Sowohl PV-Diagnostiken als auch Trajektorienberechnungen deuten darauf hin, dass die Ausströmung eines zweiten tropischen Wirbelsturmes, Gabrielle, die Tropopause im Bereich des stromaufwärts gelegenen Strahlstromes aufgesteilt hat und daher den Strahlstrom dort verstärkt und so zur Reintensivierung von Erin beigetragen hat. Zeitreihen dynamischer Tropopausenkarten und Trajektorienberechnungen deuten darauf hin, dass die starke Rückenbildung stromabwärts von Erin der Ausströmung von Erin zugeschrieben werden kann. Der stromabwärts wirkende Einfluss der Ausströmung erstreckte sich über das Atlantische Becken und beeinflusste das Wetter in Westeuropa.