High-Resolution Modelling of Surface-Atmosphere Interactions and Convection Development at Nam Co Lake, Tibetan Plateau

Titelangaben

Gerken, Tobias:
High-Resolution Modelling of Surface-Atmosphere Interactions and Convection Development at Nam Co Lake, Tibetan Plateau.
Bayreuth , 2014 . - 125 S.
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The Tibetan Plateau has recently become an area of increased interest for the atmospheric and environmental sciences. Surface-atmosphere interactions and specifically the exchange of momentum, turbulent energy and water vapour as well as the development of convection are not only important for the surface energy balance and local water resources, but also have influence on the evolution of the monsoon system and climate. High-resolution, numerical atmospheric models with a fully coupled surface model are a valuable tool for the systematic investigation of surface-atmosphere interactions. Nam Co Lake, located at the northern extent of the monsoon's influence, was selected as a complex system in order to study the interaction of the land and the lake in the generation of mesoscale circulations and the development from boundary-layer clouds to moist convection. Turbulent fluxes estimated by eddy-covariance and atmospheric profiles measured by radiosondes are used in this work in conjunction with the ATHAM (Active Tracer High-resolution Atmospheric Model) and Hybrid models. Substantial model development is undertaken for both ATHAM and Hybrid. This means a more consistent formulation of tracer and heat transport in ATHAM and improved model stability. Hybrid has been modified with an extrapolated surface temperature, to be used for the calculation of turbulent fluxes. A quadratic temperature profile based on the layer mean and surface model base temperature is assumed in each layer and extended to the surface. Compared to eddy-covariance measurements and a Surface-Vegetation-Atmosphere Transport (SVAT) Model there is an overall reasonable model performance, when tested on four days for two sites with variable environmental conditions during the 2009 summer monsoon season. At the same time, errors are reduced by 40-60% compared to the unmodified Hybrid. Subsequently, the coupled modelling system is used for 2-dimensional cross-sections through the Nam Co Lake basin with horizontal resolutions of 200 m and at least 150 vertical layers between the surface and the model top located in the lower stratosphere. The 2-dimensional modelling approach has a tendency to overestimate convective strength due to the underestimation of dry air entrainment and cannot reproduce fully realistic flow fields. Nevertheless, it provides a valuable tool for systematic investigations of environmental factors, where 3D simulations are prohibitively expensive. In simulations with several background wind speeds it is found that the model adequately simulates the mesoscale circulation system between the lake and the surrounding mountain chains. Dependent on the geostrophic wind direction there are two different mechanisms for the triggering of convection: Convective triggering, when overflowing topography, and triggering due to convergence between the lake-breeze front and the background wind. It is concluded that coupled modelling setup is capable of reproducing the system's most important dynamics, such as realistic turbulent surface fluxes, mesoscale circulations and cloud evolution. Thereafter, the influence of the atmospheric profiles of temperature and relative humidity and the uncertainty that arises from them is discussed. Simulations are initialised with profiles based on direct measurements (radiosondes), NCEP-I and ERA-INT reanalysis and GFS-FNL analysis data on two days during the summer of 2012. The simulated convection from radiosondes compares reasonably well with weather observations for the first day, but less well for the second day, when large-scale synoptic effects, which are not included in the model, gain importance. The choice of vertical profile information leads to strongly differing convection development, causing modifications of the surface energy balance and thus of the energy and water cycle for Nam Co Lake. With respect to precipitation it is found that a large fraction of the precipitation that is generated in the simulations is deposited within the basin and on the slopes of the surrounding mountain chains and thus locally recycled. This also means that a weather station in the centre of the basin is not representative of the system. Furthermore, Nam Co Lake may be of importance as a water supply for the region. Additionally, the choice of profile and the initial water vapour contents determine the amount of precipitation so that there are strong differences spanning one order of magnitude in the generated precipitation between the model simulations driven by different vertical profiles. The findings from the thesis provide an example of the impacts of surface-atmosphere interactions, mesoscale circulations and convective evolution on the Tibetan Plateau. Scaled to the entire plateau these processes are highly relevant to ecosystems, climate and the water cycle.

Abstract in weiterer Sprache

In den letzten Jahren hat das Interesse für das Tibetische Plateau in den Atmosphären- und Umweltwissenschaften zugenommen. Wechselwirkungen zwischen der Oberfläche und der Atmosphäre, v.a. der Austausch von Impuls, turbulenter Energie und Feuchtigkeit sowie die Entwicklung von Konvektion sind nicht nur für die Energiebilanz der Oberfläche und die lokale Verfügbarkeit von Wasser wichtig, sondern haben auch einen Einfluss auf den Monsun und das Klima. Hochauflösende, numerische Zirkulations-Modelle, die vollständig mit der Oberfläche gekoppelt sind, sind ein wichtiges Werkzeug für die systematische Erforschung von Oberflächen-Atmosphären Wechselwirkungen. Der Nam Co See, am nördlichen Rand des Monsun-Systems gelegen, wurde als ein komplexes System ausgewählt, um die Interaktion zwischen See, Land und Atmosphäre bei der Bildung mesoskaliger Zirkulationen sowie der Entwicklung von Grenzschicht-Wolken zu freier Konvektion untersuchen. Mit der Eddy-Kovarianz Methode gemessene Flüsse und Profile der Atmosphäre aus Radiosondierungen werden in dieser Arbeit zusammen mit den Modellen ATHAM (Active Tracer High-resolution Atmospheric Model) und Hybrid verwendet. Beiden Modelle wurden signifikant weiterentwickelt, so dass ATHAM nun über eine konsistentere Behandlung des Transports von Tracern und Temperatur verfügt und numerisch stabiler läuft. Die Berechnung der turbulenten Flüsse in Hybrid ist auf eine extrapolierte Oberflächentemperatur umgestellt. Hierbei wird ein quadratisches Temperatur-Profil in beiden Schichten angenommen und zur Oberfläche erweitert, während die Temperature am Unterrand des Bodenmodells konstant ist. Im Vergleich zu Eddy-Kovarianz Messungen und einen SVAT Modell werden für vier Tage an zwei Orten mit wechselnden Umweltbedingungen während des 2009 Sommer-Monsuns zufriedenstellende Ergebnisse erzielt. Drüber hinaus werden die Fehler im Vergleich zum nicht modifizierten Hybrid um 40--60% reduziert. Anschließend wurde das Modellsystem in 2D am Nam Co verwendet. Dabei wurde ein Querschnitt des Tals mit einer horizontalen Auflösung von 200 m und mindestens 150 Schichten zwischen der Oberfläche und dem Modellrand in der unteren Stratosphäre verwendet. Dieses 2D-setup hat die Tendenz, die Stärke der Konvektionsentwicklung zu überschätzen, da die Einmischung von trockener Luft unterschätzt wird. Außerdem ist das Strömungsfeld nicht vollständig realistisch. Trotzdem können so systematische Untersuchungen von Einflussfaktoren auf das System durchgeführt werden, wenn 3D Simulationen zu rechenintensiv sind. Durch Simulationen mit verschiedenen geostrophischen Windgeschwindigkeiten wurde herausgefunden, dass das Modell die Mesoskalige Zirkulation zwischen See und Bergen realistisch nachbildet. Je nach Windrichtung existieren zwei Mechanismen für das Triggern von Konvektion: Beim überströmen der Topographie und bei Konvergenz zwischen Hintergrund-Wind und der Front der Seebrise. Das gekoppelte Modell ist in der Lage die wichtigsten Eigenschaften des Systems, wie Oberflächenflüsse, mesoskalige Zirkulationen und Wolkenbildung zu simulieren. Anschließend wird der Einfluss von atmosphärischen Temperatur- und Feuchteprofilen sowie die sich daraus ergebenden Unsicherheiten diskutiert. Es werden Profile für zwei Tage im Sommer 2012 verwendet, die direkt durch Radiosondierung gemessen wurden, von den NCEP-I und ERA-INT Reanalysen sowie der GFS-FNL Analyse stammen. Die mit den Radiosonden modellierte Konvektion ist in guter Übereinstimmung mit Wetterbeobachtungen für den ersten Tag. Am 2. Tag treten großräumige synoptische Effekte auf, die in der Simulation nicht enthalten sind, so dass die Ergebnisse weniger gut mit den Beobachtungen übereinstimmen. Die Wahl des vertikalen Profiles hat einen großen Einfluss auf die Entwicklung von Konvektion, mit großen Folgen für die Energiebilanz an der Oberfläche und damit für den Energie- und Wasserkreislauf. Ein großer Teil der in dem Modell-Läufen generierten Niederschläge fällt innerhalb des Tals und auf den Berghängen, so dass von lokalem Recycling gesprochen werden muss. Dies hat zur Folge, dass eine Wetterstation im Zentrum des Tals nicht repräsentativ für das System ist. Darüber hinaus ist der Nam Co wahrscheinlich für den regionalen Wasserkreislauf wichtig. Die Wahl des Profils und sein inititialer Wassergehalt bestimmen die Menge des Niederschlags mit Unterschieden die eine komplette Größenordnung ausmachen. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind ein Beispiel für die Auswirkungen von Oberflächen-Atmosphären Wechselwirkungen, der Entwicklung mesoskaliger Zirkulationen und der Konvektionsentwicklung auf dem Tibetischen Plateau. Auf der Plateau-Skala sind diese Prozesse hochgradig relevant für Ökosysteme, Klima und den Wasserkreislauf.