The physics of tropical convection [Elektronische Ressource] / by Ulrike Wißmeier

Ulrike Wissmeier

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2009
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• Langue: Deutsch
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Extrait

The Physics of Tropical Convection
Ulrike Wißmeier
Mu¨nchen 2009The Physics of Tropical Convection
Ulrike Wißmeier
Dissertation
at the Faculty of Physics
Ludwig–Maximilians–University
Munich by
Ulrike Wißmeier
from Erlangen
Munich, July 2009First Examiner: Prof. Dr. Roger K. Smith
Second Examiner: Prof. Dr. George C. Craig
Date of the oral examination: 30 September 2009Zusammenfassung
Die Intensit¨at eines Gewitters wir vor allem durch zwei Parameter - Windscherung und
Instabilit¨at der Atmosph¨are (quantifiziert als ,,Convective Available Potential Energy”,
CAPE) – bestimmt. Sind diese beiden Paramter groß, so kommt es zu ,,schweren Ge-
wittern”, wie B¨oenfronten, Multi- oder Superzellen. Darwin im tropischen Nordaustralien
wird w¨ahrend der Regenzeit im Durchschnitt von zw¨olf solch schweren Gewittern heimge-
sucht –darunter auch die sogenannten ,,Northeasters”, die sich der Ku¨stenstadt von Nord-
Osten n¨ahern. Die Vorhersage jener schweren Gewitter gestaltet sich jedoch mitunter
als schwierig, da sich bisherige Studien daru¨ber haupts¨achlich auf die Mittleren Breiten
konzentriert haben, und es nur wenige konzeptionelle Gewittermodelle fu¨rdie Tropen gibt.
Es ist nicht bekannt ob die Gewittermodelle und Vorhersageparamter, welche fu¨r die Mit-
tleren Breiten entwickelt wurden und auch in den Tropen Anwendung finden, u¨berhaupt
zur Vorhersage und Klassifikation tropischer Gewitter geeignet sind.
Mit Hilfe zweier idealisierter numerischer Modelle wurde der Einfluss von vertikaler
Windscherung (mit/ohne Richtungs¨anderung mit der H¨ohe) auf tropische Konvektion un-
tersucht, und mit den Ergebnissen von Simulationen von Gewittern in den Mittleren Bre-
iten verglichen. Das Hauptaugenmerk wurde dabei auf das ,,Aufspalten” der anf¨anglichen
Gewitterzelle gelegt. Letzteres fu¨hrtgem¨aßfru¨hererStudienzurEntwicklung vonrotieren-
den, langlebigen Zellen – den Superzellen. Ganz gleich mit welchem Modell, Mikrophysik-
Schema, welcher horizontalen Au߬osung, thermischen Blase, oder Scherungsdicke die Ex-
perimente initialisiert wurden, sie zeigen alle eindeutig, dass eine gr¨oßere Windscherung
notwendig ist um Gewitter in den Tropen zu spalten, als fu¨r jene in den Mittleren Bre-
iten. Untersuchungen ergaben, dass die Neigung eines Gewitters sich zu Spalten von der
Geschwindigkeit, mitdersichderGewitter-Kaltluftausflussausbreitet, abh¨angt. Einehohe
Ausbreitungsgeschwindigkeit fu¨hrtzumAbschneiden derWarmluftzufuhr zuranf¨anglichen
Gewitterzelle, und jener verbleibt weniger Zeit sich zu entwickeln und zu spalten. Die hier
modelliertentropischenGewitterproduziereneinenst¨arkeren,d.h. schnelleren,Kaltluftaus-
fluss alsdie indenMittleren Breiten. Es zeigte sich, dass dieGeschwindigkeit des Kaltluft-
ausflusses mit sinkendem Wasserdampfmischungsverh¨altnis in der mittleren Troposph¨are
und mit steigendem Gesamthydrometeorgehalt in der Zelle steigt. Aufgrund des h¨oheren
Boden-Wasserdampfmischungsverh¨altnisses in den Tropen kommt es zu mehr Kondensa-
tion und somit zu einem gr¨oßeren Gesamthydrometeorgehalt in den tropischen Gewittern
als in jenen der Mittleren Breiten. Eine hohe Windscherung bewirkt jedoch eine Re-
duktion des Gesamthydrometeorgehaltes, und somit der Geschwindigkeit des Kaltluftaus-
flusses, was begru¨ndet, warum eine gr¨oßere Windscherung notwendig ist um Gewitter in
den Tropen, welche einen hohen Hydrometeorgehalt haben, zu spalten als fu¨r jene in den
Mittleren Breiten.
Die Richardson-Zahl, welche das Verh¨altnis von CAPE zur Windscherung wieder-vi Zusammenfassung
spiegeltundoftzurVorhersagedesGewittersoderGewittertypsverwendetwird,wurdeauf
ihre Eignung hin u¨berpru¨ft. Es zeigte sich, dass die Richardson-Zahl weder fu¨r die Klassi-
fizierung der hier modellierten tropischen Gewitter, noch fu¨r solche in den Mittleren Bre-
iten gut geeignet ist. Mit Hilfe der gefundenen Zusammenh¨ange zwischen Windscherung,
Feuchte in der mittleren Troposph¨are und Bodenfeuchte wurde ein Punktesystem entwick-
elt, womit die Vorhersagbarkeit von Superzellen gegenu¨ber jener die die Richardson-Zahl
verwendet, deutlich verbessert werden kann. Die Ergebnisse dieser Studie sowie dieses
Punktesystems k¨onnen als Grundlage fu¨r die Entwicklung neuer diagnostischer Variablen,
welche fu¨r die Gewitterklassifikation in den Tropen und Mittleren Breiten geeignet sind,
dienen.
AusBeobachtungenistbekannt,dassSeewindeeineentscheidende RolleinderEntwick-
lung der Northeasters spielen. Um zwei solche Gewittersysteme, welche am 14. November
2005bzw. am 7. Februar 2006 u¨berDarwin wu¨teten, zu simulieren, wurde ein idealisiertes
Modell mit dem Windprofil des jeweiligen Tages, einer thermischen Blase, welche die Kon-
vektion ausl¨ost, und zwei Bassins kalter Luft, welche Seewinde repr¨asentieren, initialisiert.
Mit jener einfachen Konfiguration konnte die gesamte Entwicklung der Gewittersysteme
gut simuliert werden –angefangen mit der Entstehung einer ersten Gewitterzelle u¨berdem
n¨ordlichen Seewind, bis hin zu der Bildung von neuen Zellen an der Kaltluftausflusskante
jener ersten Zelle. Die neuen Zellen formten einen Gewitterkomplex mit Eigenschaften wie
sie von B¨oenfronten bekannt sind, wobei die Geschwindigkeit und Richtung, sowie die Ori-
entierung und L¨ange der Gewitterlinie ¨ahnlich derer der beobachteten Northeasters war.
¨Anderungen an dem urspru¨nglichen Experiment offenbarten, dass zwar ein Seewind die
erste Gewitterzelle – aufgrund der Zufuhr von warmer und feuchter Luft – intensivieren
kann, jedoch die weitere Entwicklung, d.h. ob sich ein Gewitterkomplex bestehend aus
mehreren Zellen bildet, nicht von der Intensit¨at der ersten Zelle abh¨angt. Prinzipiell ist es
die St¨arke der horizontalen Bodenkonvergenz an der Kante des Kaltluftausflusses, welche
bestimmt ob es zur Entstehung neuer Gewitterzellen kommt. Es stellte sich heraus, dass
Letzteres nur der Fall ist wenn die Bodenkonvergenz u¨ber eine genu¨gend große Zeitspanne
vorhanden, und ausreichend stark ist. Große Konvergenz wurde dann erreicht, wenn sich
die vertikale Windscherung der Umgebung mit der Scherung, welche von dem Kaltluftaus-
fluss erzeugt wurde, die Waage hielt. Um diesen Zusammenhang zu beschreiben wurde
eine etwas ver¨anderte Form des Rotunno-Klemp-Weisman-Kriteriums vorgeschlagen. In
weiteren Untersuchungen des Kaltluftausflusses wurde herausgefunden, dass jener stark
ist, wenn die Gewitterzelle, von der er ausgeht, geneigt ist, sodass der Abwind nicht in den
Aufwind f¨allt, sondern eine spezifische Region des Kaltluftbassins mit kalter und trockener
Luft versorgt.
Wenngleich nicht alle in der Studie verwendeten Parameter aus Messungen bekannt
sind, so kann jedoch die Bestimmung anderer Gr¨oßen, gemeinsam mit den hier gefundenen
Zusammenh¨angen helfen, jene Parameter abzusch¨atzen. Vorschl¨age wie die Ergebnisse
dieser Arbeit zur Verbesserung der Vorhersage von Gewittern beitragen k¨onnen wurden
gemacht. Ferner sei erw¨ahnt dass, obgleich die Studien speziell fu¨r das Gebiet um Darwin
in Nordaustralien durchgefu¨hrt wurden, die Ergebnisse mitunter auch fu¨randere Regionen
in den Tropen oder Mittleren Breiten gelten k¨onnen.Contents
Zusammenfassung v
1 Introduction 1
1.1 Background and motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Two basic concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Thunderstorm types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 Single cell storms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2 Multicell storms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.3 Supercell storms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Thunderstorm dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5 Tropical thunderstorms – observations and forecasts . . . . . . . . . . . . . 10
1.6 Mid-latitude thunderstorms – numerical simulations . . . . . . . . . . . . . 13
1.7 Tropical deep convection influenced by sea breezes . . . . . . . . . . . . . . 15
1.8 Overview of chapters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 The numerical models 19
2.1 Clark-Hall cloud-scale model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.1 The governing equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.2 Numerics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.3 Cloud microphysics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Bryan Cloud Model (CM1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.1 The governing equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.2 Numerics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.3 Cloud microphysics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3 The influence of uni-directional vertical wind shear on convection 25
3.1 Model configuration and experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 Warm clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .