High-Resolution Analysis of the Initiation of Deep Convection Forced by Boundary-Layer Processes
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High-resolution analysis of the initiation of deep convection forced by boundary-layer processes Zur Erlangung des akademischen Grades eines DOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTEN der Fakult¨at f¨ur Physik der Universit¨at (TH) Karlsruhe genehmigte DISSERTATION von Dipl.-Phys. Samiro Khodayar Pardo aus Valencia (Spanien) Tag der m¨undlichen Pr¨ufung: 12.06.2009 Referent: Prof. Dr. Christoph Kottmeier Korreferent: Prof. Dr. Sarah Jones Zusammenfassung Unter Nutzung der Synergie verschiedener Instrumente wird die Ausl¨osung atmo- sph¨arischer Konvektion untersucht. Der Einfluss einer h¨oheren r¨aumlichen Datenaufl¨osung auf die Erfassung der Ausl¨osung hochreichender Konvektion wird analysiert und es wird eine Methodik zur Bestimmung der Wahrscheinlichkeit f¨ur das Auftreten hochreichen- der Konvektion ¨uber ebenem und komplexem Gel¨ande entwickelt und angewendet. Hi- erzu werden Intensivmessphasen (IOPs Intensive Observation Periods) des in S¨udengland durchgef¨uhrten CSIP (Convective Storm Initiation Project) und der in S¨udwestdeutschland und im Osten Frankreichs durchgef¨uhrten Messkampagne COPS (Convective and Orogra- phically-Induced Precipitation Study) herangezogen. Die atmosph¨arische Grenzschicht spielt eine entscheidende Rolle bei der Ausl¨osung kon- vektiver Systeme, denn Konvektion ist h¨aufig mit Prozessen verbunden, die durch Gren- zschichtinhomogenit¨aten verursacht werden. Zum besseren Verst¨andnis der Grenzschicht- prozesse werden deshalb einige Wetterlagen ausgew¨ahlt, die durch nicht vorhandenen oder geringen synoptischen Antrieb gekennzeichnet sind. Die Wahrscheinlichkeit von Konvek- tion wird mit Hilfe von Konvektionsindizes, die die atmosph¨arische Stabilit¨at und die verf¨ugbare konvektiven Energie beschreiben, sowie von Mechanismen, die die Entstehung von Konvektion f¨ordern oder hemmen, analysiert. Hochaufl¨osende Flugzeugmessungen geben Hinweise auf die Empfindlichkeit der Konvektionsindizes gegen¨uber Variabilit¨aten der Grenzschichttemperatur- und feuchte. Es wird gezeigt, dass bei Verwendung der entlang einer Flugbahn von ca. 36 km L¨ange gemessenen maximalen und minimalen Temperatur- und Feuchtewerte ein Unterschied von 680 J kg−1 in der Labilit¨atsenergie (CAPE - Convective Available Potential Energy) bzw. -150 J kg−1 in der Konvektionshem- mung (CIN - Convective Inhibition) besteht. D.h., die Wahrscheinlichkeit f¨ur Konvektion variiert innerhalb von 36 km deutlich. Daraus folgt, dass die f¨ur Konvektion relevante r¨aumliche Variabilit¨at des Temperatur- und insbesondere des Wasserdampffeldes in der Grenzschicht w¨ahrend der CSIP- und COPS-Kampagnen trotz des dichten Netzwerks von Radiosondenstationen im Abstand von 25 bis 50 km nicht ausreichend genug erfasst wurde. Die r¨aumliche Aufl¨osung konnte durch Nutzung des synergetischen Effekts von Daten des Radiosondenmessnetzes, der automatischen Wetterstationen (AWS), der synoptischen Stationen (SYNOP) und insbesondere der GPS-Systeme erh¨oht werden. Da die GPS- Messungen den S¨aulenwasserdampfgehalt bestimmen, wird ein neuartiges Verfahren (Ad- justment Method) vorgestellt, mit Hilfe dessen der integrierte Wasserdampf (IWV Inte- grated Water Vapour) aus den GPS-Messungen mit den Radiosondenprofilen verkn¨upft werden kann. Die auf diese Weise kombinierten Datens¨atze erlauben die Berechnung der Konvektionsindizes mit einer f¨ur die Konvektionsanalyse notwendigen r¨aumlichen und zeitlichen Aufl¨osung. Durch die erh¨ohte r¨aumliche Aufl¨osung und die Kombination der Konvektionsindizes basierend auf Daten von verschiedenen Wetterlagen und sowohl ¨uber ebenem (CSIP) als auch ¨uber komplexes Gel¨ande (COPS) - konnten die Bedingungen erfolgreich ermittelt werden, bei denen eine hohe Wahrscheinlichkeit f¨ur hochreichende Konvektion besteht. Des Weiteren wird die r¨aumliche und zeitliche Entwicklung stabiler Schichten oder Lids in der unteren oder mittleren Atmosph¨are und deren Rolle bei der Unterdr¨uckung von Konvektion untersucht. H¨ohe, St¨arke und Fortdauer dieser stabilen Schichten zeigen sich dabei als f¨ur die Ausl¨osung von Konvektion bedeutende Faktoren. Stabile Schichten beeinflussen die Feuchtkonvektion auf zweierlei Weise: Sie fungieren in erster Linie als Barrieren, die die Ausl¨osung von Konvektion unterdr¨ucken oder die Entwicklung zu hochreichender Konvektion verhindern. Ihre zeitliche Fortdauer kann zu- dem zu einer Anreicherung von Feuchte in der Grenzschicht f¨uhren. Haben sich die Lids aufgel¨ost oder ¨uben sie ihren konvektionsunterdr¨uckenden Einfluss nicht mehr aus, so kann sich, bedingt durch die akkumulierte Feuchte, hochreichende Konvektion ausbilden. Hochaufgel¨oste bodennahe Beobachtungsdaten erm¨oglichen eine genaue Lokalisierung der Konvergenzzonen, deren Rolle sich in Bezug auf die Ausl¨osung von hochreichender Konvek- tion in allen untersuchten F¨allen und selbst bei geringer atmosph¨arischer Unterdr¨uckung als bedeutend erweist. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die Grenzschichtbedingun- gen die Ausl¨osung von Konvektion stark beeinflussen: die H¨ohe der Konvektionsindizes wird durch den Grenzschichtzustand mit bestimmt und Konvektion wird in vielen F¨allen durch Oberfl¨achen- und Grenzschichtprozesse ausgel¨ost. Es wird dar¨uber hinaus ersichtlich, dass die Ausl¨osung von hochreichender Konvek- tion st¨arker auf Konvergenz und eine niedrige CIN als auf eine besondere hohe CAPE angewiesen ist. Dagegen zeigt sich, dass f¨ur die Intensivierung konvektiver Systeme hohe CAPE-Werte und eine hohe Feuchte in der mittleren Troposph¨are notwendig sind. Auf der Grundlage der Gesamtbewertung aller untersuchten CSIP-Intensivmessphasen wur- den einige Schwellenwerte f¨ur das CSIP-Gebiet erstellt. Hochreichende Konvektion wird in Bereichen mit CAPE-Werten ¨uber 500 J kg−1, absoluten CIN-Werten unter 50 J kg−1, einer CAP-St¨arke unter 2 ◦C (kennzeichnend f¨ur Lids in der Grenzschicht), einem Lid- Effect von ca. 0 ◦C (kennzeichnend f¨ur mitteltroposph¨arische Lids) und bei vorhan- dener bodennaher Konvergenz beobachtet. Diese Schwellenwerte belegen, dass die kon- vektive Instabilit¨at und die konvektionshemmenden Inversionen (CAP) w¨ahrend konvek- tiver Ereignisse in diesem Gebiet oft ziemlich schwach sind und dass die Ausl¨osung ¨uber Grenzschichtkonvergenz erfolgt. Aufgrund der Unsicherheiten in den Berechnungen und der begrenzten Anzahl der untersuchten IOPs muss darauf hingewiesen werden, dass die Schwellenwerte eher als erster Hinweis denn als feste Richtwerte zu betrachten sind. Das abschlieend vorgestellte 2-D-Diagramm zur Vorhersage der Wahrscheinlichkeit von hochre- ichender Konvektion fasst die f¨ur das Auftreten von hochreichender Konvektion erforder- lichen Bedingungen noch mal zusammen. Abstract The initiation of atmospheric convection is investigated using the synergy of different instruments. The impact of increased spatial data resolution on the detection of the ini- tiation of deep convection is analyzed, and a methodology is developed and applied to determine the likelihood of deep convection over flat and complex terrains. With this pur- pose, Intensive Observation Periods (IOPs) are used from the Convective Storm Initiation Project (CSIP), which took place in southern United Kingdom (UK), and from the Con- vective and Orographically-Induced Precipitation Study (COPS), which was performed in southwestern Germany and eastern France. Events with nonexistent or weak synoptic scale forcing were chosen to better under- stand the Planetary Boundary Layer (PBL) processes which play a critical role in the initiation of convective storms because it is along its discontinuities that convection often breaks out. To describe the likelihood of convection, convection-related indices are used representing atmospheric stability, convective available energy, inhibition and triggering mechanisms. The sensitivity of convection indices to the temperature and moisture vari- ability observed in the PBL is investigated using high-resolution aircraft measurements. It is shown that using the maximum and minimum temperature and moisture observed along a flight track of approximately 36 km a difference of 680 J kg−1 in convective avail- able potential energy (CAPE), and -150 J kg−1 in convective inhibition (CIN) is found. Thus, the representation of atmospheric conditions varied from low to high probability for deep convection. These measurements demonstrated that despite the dense radiosonde network deployed during the CSIP and COPS campaigns, the high spatial variability of the temperature and especially of the water vapour field in the boundary-layer cannot be resolved only with radionsonde data. An increase of the spatial data resolution was obtained using the synergetic effect of data from the networks of radiosondes, Automatic Weather Stations (AWSs), synoptic stations (SYNOPs), and especially Global Positioning Systems (GPSs). Since the GPS measurements are retrievals of column-integrated water vapour mixing ratio, a new algo- rithm ”adjustment method” is introduced to combine the IWV data from the GPS with the radiosonde profiles. This combined data set is used to calculate the spatio-temporal evolution of convection-related indices. The gained spatial resolution and the combination of convection-related indices presented successfully represented the areas where the likeli- hood of deep convection was high for several events with different dominant processes and for both, flat (CSIP) and complex terrains (COPS). Special emphasis is put on the inves- tigation of the spatio-temporal evolution of low-level and mid-tropospheric stable layers or lids and their role