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Doctoral Thesis
2017
Studies of soil-vegetation-atmosphere feedback processes with WRF on the convection permitting scale
Studies of soil-vegetation-atmosphere feedback processes with WRF on the convection permitting scale
Abstract (English)
Land system models which can incorporate land-atmosphere and human-environment interactions are vital for reliable climate projections in heterogeneous agricultural landscapes. At resolutions fine enough to resolve detailed land use, models need a sophisticated representation of planetary boundary layer (PBL) and land surface processes in order to predict changes in key quantities like precipitation or temperatures. Assessment of turbulence schemes and land surface models (LSM) is fundamental therefore not only to advance model development, but also to understand important phenomena like feedbacks within the soil-vegetation-atmosphere (SVA) continuum. Up until now however, a lack of appropriate observations has impeded any comprehensive assessments. Here, through comparisons with so far unique profile measurements, the study investigates the impact of using different PBL schemes and LSMs, and explores how SVA feedbacks are simulated by the model.
Using the Weather Research and Forecasting (WRF) model, a six member ensemble was run, at a convection permitting resolution, with varying combinations of LSMs (NOAH and NOAH-MP) and PBL schemes (two local and two non-local approaches). The analysis was performed for two case studies – a dry and a convective weather situation – in three different locations in Germany. During the dry case, key convective PBL (CBL) features were analysed, and the simulations were compared with high resolution water vapour differential absorption lidar measurements. For the convective case, the focus was on exploring the model representation of the pre-convective environment and the ensuing convection and precipitation. In both cases, the nature of the simulated SVA feedback processes was assessed through an innovative “mixing diagram” approach.
Results show that the nonlocal PBL schemes produce a drier and higher CBL than the local schemes. These results are sensitive to parameters calculated in the surface layer schemes, which are themselves often paired with PBL schemes. Furthermore, the NOAH‑MP LSM produces drier atmospheric conditions than NOAH, with a difference in mixing ratio profiles ranging up to 1.4 gkg-1. These variations are more pronounced in the upper CBL than close to the ground. The mixing diagrams indicate that these deviations are mainly related to entrainment fluxes. In the dry case, NOAH-MP’s dry air entrainment is up to 6 times higher than with NOAH, while in the convective case the difference is not as pronounced (up to 1.5 higher with NOAH-MP). This suggests that the difference in the simulation of the CBL between the two LSMs is strongly linked to the surface energy partitioning – the higher the Bowen ratio, the greater the difference between the LSMs. Thus, WRF appears to be more sensitive to the choice of LSM at higher Bowen ratios. NOAH and NOAH-MP exhibit marked differences in representing atmospheric variables such as moisture. Those differences are not constrained to the lower atmosphere close to the land surface, but extended to the lower troposphere. The variations in free tropospheric moisture between the LSMs strongly affects the nature of the simulated convection, and associated precipitation. The degree of sensitivity of the spatial variability and amount of the precipitation with respect to the selection of LSM and PBL scheme shows a strong dependence on the analysed region.
A distinct finding of this thesis is the greater sensitivity of WRF with respect to the PBL development to the selection of the LSM, than to the PBL scheme. Furthermore, the impact of this sensitivity is not constrained to the lower CBL, but extends up to the interfacial layer and the lower troposphere - for both dry and convective weather conditions. On the other hand, it is clear that the simulated coupling strength between the land surface and atmosphere is very sensitive to the surface Bowen ratio.
The synergies between high resolution measurements and model simulations, with an advanced representation of the land surface processes, will facilitate not only further development of parameterization schemes, but also an improvement in our understanding of land-atmosphere interactions.
Abstract (German)
Landsystemmodelle, die Wechselwirkungen zwischen Land und Atmosphäre sowie Mensch und Umwelt berücksichtigen können, sind für verlässliche Klimaprojektionen in heterogenen, landwirtschaftlich geprägte Regionen von großer Bedeutung. Bei einer Auflösung, die fein genug ist, um eine detaillierte Landnutzung zu berücksichtigen, benötigen Modelle eine differenzierte Darstellung der Prozesse in der planetaren Grenzschicht (PBL) und an der Landoberfläche, um Änderungen von Schlüsselkomponenten wie Niederschlag oder Temperatur vorhersagen zu können. Die Bewertung von Turbulenzparametrisierungen und Landoberflächenmodellen (LSM) ist wesentlich für die Weiterentwicklung von Modellen, aber auch für das Verständnis wichtiger Phänomene wie Rückkopplungen im Boden-Vegetation-Atmosphäre (SVA) Kontinuum. Aufgrund fehlender geeigneter Beobachtungen wurden bisher jedoch aussagekräftige Bewertungen erschwert. In der vorliegenden Arbeit wird basierend auf bisher einzigartigen Profilmessungen der Einfluss der Verwendung unterschiedlicher PBL-Parameterisierungen und LSMen untersucht. Außerdem wird ermittelt, wie SVA-Rückkopplungen im Modell simuliert werden.
Mit dem Weather Research and Forecasting (WRF) Modell wurde ein Ensemble von sechs Modelläufen bei konvektionserlaubender Auflösung mit unterschiedlichen Kombinationen von LSMen (NOAH und NOAH-MP) und PBL-Parametrisierungen (zwei lokale und zwei nicht-lokale Ansätze) verwirklicht. Die Analyse wurde für zwei Fallstudien – einer trockenen und einer konvektiven Wetterlage – für drei unterschiedliche Standorte in Deutschland durchgeführt. Für die trockene Fallstudie wurden Haupteigenschaften der konvektiven PBL (CBL) analysiert und Simulationen mit hochauflösenden Wasserdampf-Differential Absorption Lidar (DIAL) Messungen verglichen. Bei der konvektiven Fallstudie lag der Schwerpunkt auf der Untersuchung der Modelldarstellung des Umfelds vor dem Konvektionsereignis mit anschliessender Konvektion und folgendem Niederschlag. In beiden Fällen wurde das Verhalten der simulierten SVA-Rückkopplungsprozesse basierend auf einem innovativen “Mischungsdiagramm-Ansatz“ beurteilt.
Die Ergebnisse zeigen, dass die nicht-lokalen PBL-Parametrisierungen eine trockenere und höhere CBL erzeugen als die lokalen PBL-Parametrisierungen. Diese Ergebnisse sind abhängig von Parametern, die in den Prandtl-Schicht-Parametrisierungen berechnet werden und häufig selbst mit den PBL-Parametrisierungen verbunden sind. Desweiteren erzeugt das LSM NOAH-MP trockenere Bedingungen in der Atmosphäre als NOAH; der Unterschied beträgt bis zu 1.4 gkg-1 in den Profilen der Mischungsverhältnisse. In der oberen CBL sind diese Unterschiede stärker ausgeprägt als in Bodennähe. Die Mischungsdiagramme weisen darauf hin, dass diese Abweichungen hauptsächlich auf die Entrainment-Flüsse zurückzuführen sind. Bei der trockenen Fallstudie ist das Entrainment der trockenen Luft bei NOAH-MP bis zu 6 mal größer als mit NOAH, während bei der konvektiven Fallstudie der Unterschied schwächer ist (bis zu 1.5 mal höher mit NOAH-MP). Dieses Ergebnis legt nahe, dass der Unterschied der Simulation der CBL zwischen den beiden LSMen stark mit der Aufteilung der Energie an der Landoberfläche verbunden ist – je höher das Bowen-Verhältnis, desto höher der Unterschied zwischen den LSMen. Demnach scheint WRF auf die Wahl der LSMe empfindlicher zu reagieren, wenn das Bowen-Verhältnis höher ist. NOAH und NOAH-MP wiesen in Bezug auf den Feuchtegehalt der freien Troposphäre deutliche Unterschiede auf, welche wiederum das Verhalten der simulierten Konvektion und des damit verbundenen Niederschlags stark beeinflussen. Wie sensitiv die räumliche Variabilität und der Niederschlag bezüglich des LSM und der PBL Parametrisierung sind, hängt deutlich von der Region ab.
Ein deutliches Ergebnis dieser Arbeit ist die Erkenntnis, dass WRF bei der Grenzschichtentwicklung empfindlicher auf die Wahl des LSMs als auf die Wahl der PBL-Parametrisierung reagiert. Zudem ist der Einfluss dieser Sensitivität nicht auf die untere CBL beschränkt, sondern reicht hoch bis zur Inversionsschicht und der unteren Troposphäre sowohl für trockene als auch konvektive Wetterlagen. Andererseits zeigte sich, dass die simulierte Stärke der Kopplung zwischen Landoberfläche und Atmosphäre stark vom Bowen-Verhältnis abhängt.
Diese Synergien von hochauflösenden Messungen und Modellsimulationen in Verbindung mit einer verbesserten Darstellung der Landoberflächenprozesse wird nicht nur weitere Parametrisierungsentwicklungen unterstützen, sondern auch unser Verständnis des Zusammenspiels zwischen Landoberfläche und Atmosphäre erweitern.
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Faculty
Faculty of Natural Sciences
Institute
Institute of Physics and Meteorology
Examination date
2016-11-27
Supervisor
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Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
530 Physics
Collections
Original object
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Milovac2017,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6142},
author = {Milovac, Josipa},
title = {Studies of soil-vegetation-atmosphere feedback processes with WRF on the convection permitting scale},
year = {2017},
school = {Universität Hohenheim},
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