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Modelling of the initiation of deep moist convection in relation to upper level moisture gradients

Astrid Barbara Kainz

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Meteorologie

Betreuer*in

Leopold Haimberger

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DOI

10.25365/thesis.44718

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-22426.85619.517353-7

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Die Vorhersagbarkeit von Einzelzellgewittern im Alpenraum, insbesondere in Abwesenheit von Fronten unter sogenannten Schönwetterbedingungen, gestaltet sich als schwierige Aufgabe für Meteorologen. Umso wichtiger ist es, das Wissen über Faktoren, die zur Initiierung von hochre- ichender Feuchtekonvektion (deep moist convection, DMC) unter solchen Umgebungsbedingun- gen beitragen, stets zu verbessern. Fallstudien mit Satellitenbildern haben gezeigt, dass Feuchte- gradienten in der mittleren oder oberen Troposphäre (upper tropospheric moisture gradients, UTMG) eine bevorzugte Lage für die erste Initiierung von DMC unter Schönwetterbedinungen bei weitverbreiteter flacher Konvektion über dem Gebirge darstellen. (Krennert and Zwatz- Meise, 2003). Anhand von zwei WRF-Simulationen mit drei genesteten Domänen (20 km, 4 km, 800 m) werden Faktoren, die zur Initiierung von DMC beigetragen haben könnten, für zwei repräsentative Fälle im Alpenraum analysiert. Dazu werden verschiedene Hypothesen im Zusammenhang mit UTMG und deren Rolle bei der Initiierung von DMC untersucht. Ein wesentlicher Teil besteht darin, verschiedene Instabilitäten zu untersuchen, einschließlich der feucht-symmetrischen Instabilität (moist symmetric instability, MSI) als mögliche begünstigende Ursache für den Übergang von flacher zu hochreichender Konvektion. Die Ergebnisse der ersten Fallstudie vom 7. Juli 2014 zeigen, dass die Initiierung von DMC tatsächlich in Zusammenhang mit einem Gradienten der relativen Feuchte in 300 hPa auftritt. Sowohl die 4-km, als auch die 800-m Domäne erweisen sich als konvektionsauflösend und in guter Übereinstimmung mit den Beobachtungen. Zudem stellt sich heraus, dass die Umgebung beim Übergang von flacher zu hochreichender Konvektion von Bereichen negativer (gesättigter) poten- tieller Vorticity in der unteren bis mittleren Troposphäre und hohen SCAPE-Werten (slantwise convective available potential energy) geprägt ist, die beide Indikatoren für symmetrische, jedoch auch statische Instabilität sind. Für eine bessere Abgrenzung dieser beiden Instabilitäten wur- den Trajektorien berechnet. Es hat sich herausgestellt, dass es unter Verwendung des gewählten Modells keinen eindeutigen Hinweis auf eine begünstigende Rolle von MSI auf die Entwicklung hochreichender Konvektion gibt, da die Größenordnung der vertikalen Windkomponente jene der beiden horizontalen Windkomponenten im Aufwindbereich zu jeder Zeit übertrifft. Die Ergebnisse der zweiten Fallstudie zeigen zwar, dass die Konvektion wieder entsprechend gut aufgelöst wird, jedoch zeigt sich die konvektive Aktivität mehr verbreitet als dies in den Satel- litenbildern der Fall ist. Zudem ist der Gradient der relativen Feuchte vergleichsweise schwächer ausgeprägt. Auch die Indikatoren für symmetrische Instabilität (negative EPV, SCAPE) sind in Zusammenhang mit der Initiierung von DMC nur wenig bedeutsam.

Abstract

(Englisch)

The predictability of single-cell convection in the Alpine region, especially in the absence of fronts under so called fair-weather situations, remains a challenging task for forecasters. There- fore it is important to gain knowledge about the key factors that contribute to the initiation of single-cell deep moist convection (DMC) under these conditions. Satellite studies have shown that favourable locations for the first initiation of DMC under fair-weather conditions with widespread shallow convection over mountainous terrain are water vapour gradients in the middle or upper troposphere, as of now termed UTMG (upper tropospheric moisture gradient) (Krennert and Zwatz-Meise, 2003). Based on two WRF (Weather Research and Forecasting) hindcast simulations with three nested domains (20 km, 4 km, 800 m), the factors that may have contributed to the initiation of DMC are analysed for representative cases in the Alpine region. Therefore, different hypotheses re- lated to UTMG are investigated with regard to their role in supporting the initiation of DMC. In particular, different types of instabilities, including moist symmetric instability (MSI), are inves- tigated as possible mechanisms for favouring the transition from shallow to deep moist convection. Analysis of the simulated case of 7 July 2014 reveals that the initiation of DMC can actually be related to a gradient in relative humidity at 300 hPa. Both the 4-km and 800-m domain resolve convection in reasonably good agreement with the observations. The transition from shallow to deep convection takes place in an environment characterized by negative (saturated) equivalent potential vorticity (EPV) at lower and mid-levels of the troposphere and high values of slantwise convective potential available energy (SCAPE), both of which are indicators for moist symmet- ric instabilities, but also gravitational instabilities. Forward trajectories have been computed to provide a better distinction between the different types of instabilities. It has turned out that there is no clear evidence for a contribution of MSI to the evolution of DMC regarding the chosen model and settings. Here, the vertical wind component seems to dominate the horizontal wind components within the convective updraught at any time. A second simulated case (21 July 2013) shows that the convection is again resolved by the model. In this case the first initiation of DMC is not clearly related to the UTMG and convec- tion is generally more widespread. The strongest gradient in relative humidity is found at lower levels, i.e. at 400 hPa, the gradients being generally lower as compared to case 1. Indicators for MSI in terms of negative EPV and SCAPE are much weaker and can not be clearly connected to the area where DMC was initiated.

Autor*innen

Astrid Barbara Kainz

Haupttitel (Englisch)

Modelling of the initiation of deep moist convection in relation to upper level moisture gradients

Paralleltitel (Deutsch)

Modellierung der Initiierung von hochreichender Feuchtekonvektion in Bezug auf hochtroposphärische Feuchtegradienten

Publikationsjahr

2016

Umfangsangabe

vi, 57, vii-xvii Seiten : Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Leopold Haimberger

Klassifikationen

38 Geowissenschaften > 38.81 Atmosphäre ,

38 Geowissenschaften > 38.84 Meteorologie: Sonstiges

AC Nummer

AC13666385

Utheses ID

39582

Studienkennzahl

UA | 066 | 614 | |

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Schlagwörter