Der Wärmeaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre spielt eine fundamentale Rolle im Klimasystem der Erde. Insbesondere über dem Nordatlantik können langfristige Veränderungen der Bodenenergieflüsse weitreichende Auswirkungen auf unsere Gesellschaft und Wirtschaft haben. Eine präzise Quantifizierung dieser Flüsse ist daher notwendig um die Auswirkungen des Klimawandels besser zu verstehen. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, (i) die Auswertung des atmosphärischen Massen- und Energiehaushalts unter Verwendung der globalen atmosphärischen Reanalyse ERA5 (bereitgestellt durch den ECMWF) zu verbessern, womit Bodenenergieflüsse indirekt bestimmt werden können, und (ii) Trends in den Bodenenergieflüssen über dem Nordatlantik mithilfe von vorhergesagten Flüssen aus ERA5 sowie den indirekten Schätzungen besser zu verstehen. Die mit ERA5 und früheren Reanalysen berechnten Massen- und Energiehaushaltterme weisen ein beständiges Muster von künstlichem Rauschens auf, insbesondere in Regionen mit hoher Topographie. Verschiedene Methoden werden getestet, um dieses Rauschen zu entfernen. Eine tatsächliche Minimierung des Rauschen kann jedoch nur mit einer barotropen Windfeldkorrektur erreicht werden, welche auf der diagnostizierten Imbalance zwischen Divergenz des vertikal integrierten trockenen Massenflusses und der Tendenz der trockenen Luft basiert. Darüber hinaus werden die Budgetterme auf einem quadratischen Gaußgitter berechnet, wodurch quadratische Produkte in der Haushaltsgleichung exakt dargestellt werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass diese verbesserten numerischen Methoden das Rauschen über hoher Topographie im Vergleich zu dem in ERA5 gespeicherten Haushaltstermen signifikant reduzieren. Eine vollständige Entfernung des Rauschens ist jedoch nicht möglich. Des Weiteren wird gezeigt, dass die Massen- und Energiehaushalte in ERA5 zeitlich stabiler und besser geschlossen sind als in dessen Vorgänger ERA-Interim. Die verbesserten Haushaltsterme sind im Copernicus Climate Data Store publiziert. Im zweiten Teil dieser Doktorarbeit werden langfristige Veränderungen der modellbasierten Oberflächenflüsse aus ERA5 über dem Nordatlantik für den Zeitraum 1950–2019 untersucht. Um die Zuverlässigkeit und zeitliche Stabilität der modellbasierten Flüsse aus ERA5 zu untersuchen, werden die aus dem Enegiehaushalt abgeleiteten Bodenflüsse als Referenz verwendet. Es zeigt sich, dass eine Anpassung der modellbasierten Bodenflüsse erforderlich ist, um zeitliche Sprünge aus den Zeitreihen zu entfernen, welche durch Änderungen im Beobachtungssystem eingeführt werden. Die Resultate dieser Arbeit zeigen, dass langzeitliche Änderungen in Bodenenergieflüssen entweder durch Veränderungen in advehierten Luftmassen oder Trends in den Oberflächengrößen, welche auf eine Erwärmung oder Abkühlung des Ozeans zurückzuführen sind, verursacht werden. Im subpolaren Nordatlantik spielen die Advektion wärmerer Luftmassen (verursacht durch Trends zu stärkeren Südwinden) und Meereisrückgang eine wichtige Rolle. Im tropischen Nordatlantik können stärkere latente Wärmeflüsse mit einer Abnahme der bodennahen Luftfeuchtigkeit in Verbindung gebracht werden, welche durch die Intensivierung der Hadley-Zelle sowie dem verstärkten Absinken trockener Luftmassen hervorgerufen wird. Der Einfluss anderer Antriebe wie etwa Klimavariabilitätsmoden (berücksichtigt wurde die nordatlantische Oszillation und die atlantischen multidekadische Oszillation) oder Analyse-Inkremente, welche aufgrund von Änderungen im Beobachtungssystem entstehen, wird in diesen Regionen auf etwa 1–2 W m-2 geschätzt und kann die gefundenen Trends daher nicht erklären. Die Trends über dem Golfstrom variieren jedoch zeitlich und räumlich stark und sind vermutlich von natürlicher Variabilität angetrieben. Die Abnahme der Bodenenergieflüsse im gesamten Nordatlantik kann schließlich mit einer Abschwächung des nordwärts gerichteten ozeanischen Wärmetransports (OHT) in Verbindung gebracht werden. Da der Großteil der ozeanischen Wärme durch die Overturning-Zirkulation transportiert wird, weist dieses Ergebnis auf eine Abschwächung der Atlantischen Meridionalen Umwälzzirkulation während der letzten sieben Jahrzehnte.

The exchange of heat between ocean and atmosphere plays a fundamental role in Earth’s climate system. In particular, long-term changes in air-sea heat fluxes over the North Atlantic ocean caused by global warming can have profound implications for our society and economy. A precise quantification of these fluxes is thus indispensable to better understand the impact of climate change. The goal of this work is to (i) improve the evaluation of the atmospheric mass and energy budgets using the fifth generation global atmospheric reanalysis (ERA5) produced by European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), from which surface fluxes can be indirectly estimated, and (ii) better understand trends in air-sea heat fluxes over the North Atlantic ocean using fluxes from ERA5 forecasts and indirect estimates derived from the improved energy budget. Atmospheric mass and energy budget terms evaluated with ERA5 and previous reanalyses exhibit a consistent pattern of artificial noise over high topography, especially where surface pressure gradients are large. Several methods are tested to remove this noise. However, a notable improvement can only be achieved with a barotropic wind field correction, which is based on the diagnosed imbalance between divergence of vertically integrated dry mass flux and tendency of dry air. Furthermore, budget fields are computed on a quadratic Gaussian grid to accurately represent quadratic products in the budget equation. Results show that these improved numerical methods significantly reduce the artificial noise relative to budget fields stored in ERA5, but a complete removal cannot be achieved. In addition, it is shown that the mass and energy budgets in ERA5 are temporally more stable and better closed than in its predecessor ERA-Interim. The improved budget terms are published in the Copernicus Climate Data Store. In the second part of this doctoral thesis, long-term changes of model-based surface fluxes from ERA5 forecasts over the North Atlantic basin are investigated for the period covering 1950–2019. Here, inferred fluxes derived from the atmospheric energy budget are used as a reference to examine the reliability and temporal stability of model-based fluxes. It is shown that model-based fluxes require a flux adjustment to get rid of temporal inconsistencies caused by changes in the observing system. The outcome of this study reveals that air-sea heat flux trends are either driven by changes in advected air masses or surface quantities associated with ocean cooling or warming. In the subpolar North Atlantic, including the Labrador Sea and Nordic Seas, the advection of warmer air masses (caused by trends towards more southerly winds) and sea-ice retreat play an important role. In the tropical North Atlantic, stronger latent heat fluxes (stronger ocean cooling) can be linked to a decrease in near-surface humidity accompanied by an intensification of the Hadley Cell and the subsidence of drier air masses. The impact of other forcings, such as climate variability modes (including the North Atlantic oscillation and Atlantic multidecadal oscillation) or analysis increments caused by changes in the observing system, is estimated to be about 1–2 W m-2 in these regions and thus cannot explain the found trends. Trends over the Gulf Stream, however, strongly vary in time and space and are thus likely dominated by natural variability. Finally, the basin-wide weakening of air-sea heat fluxes can be linked to weakened northward ocean heat transports (OHT). As most of the oceanic heat is transported by the overturning circulation, the decline in the OHT is likely associated with a weakening of the Atlantic meridional overturning circulation during the past seven decades.