Resolution dependence of cumulus statistics in radiative-convective equilibrium

Scheufele, Katrin (2014): Resolution dependence of cumulus statistics in radiative-convective equilibrium. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics

Abstract

Ein theoretisches Modell welches die Fluktuationen innerhalb eines Wolkenensembles beschreibt, stellt die Basis für stochastische Konvektionsparametrisierung dar. Hochaufgelöste, idealisierte Simulationen eines Wolkenensembles über einer homogenen Meeresoberfläche werden benutzt um die Gültigkeit des theoretischen Modells im Strahlungs-Konvektions-Gleichgewicht zu evaluieren. Im ersten Schritt dieser Studie werden Kontrollsimulationen mit einer horizontalen Auflösung von 2 km durchgeführt, wobei fünf verschiedene Abkühlungsraten benutzt werden um das Wolkenensemble anzutreiben. In den Kontrollsimulationen wird die Gültigkeit einer exponentiellen Verteilung des vertikalen Massenflusses und der Wolkengrößen für alle Abkühlungsraten nachgewiesen. Desweiteren, nimmt die Anzahl der Wolken im Modellgebiet mit steigender Abkühlungsrate linear zu, wohingegen nur eine schwache Abhängigkeit der mittleren Wolkengrößen und deren Vertikalgeschwindigkeiten von der Stärke der Abkühlungsrate beobachtet wird. Diese Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit dem theoretischen Modell. Im zweiten Teil dieser Studie wird die Gitterweite in den numerischen Simulationen sukzessive bis zu einer Auflösung von 125 m verfeinert. Hierbei treten signifikante Änderungen in der Wolkenstatistik und der Struktur der Wolkenfelder auf. Die Größe der Wolken nimmt mit zunehmender Auflösung stark ab, wohingegen die Anzahl der Gitterpunkte innerhalb einer Wolke ansteigt, da diese mit zunehmender Auflösung besser auf dem numerischen Gitter dargestellt werden können. Im Gegensatz zu den zufällig verteilten Wolken in den Kontrollsimulationen, wird in den feinaufgelösten Wolkenfeldern beobachtet, dass sich die einzelnen konvektiven Zellen in bandartigen Strukturen um wolkenfreie Gebiete anordnen. Der Umkreis einer Wolke in dem diese Cluster-Effekte beobachtet werden, scheint indes unabhängig von der horizontalen Auflösung zu sein. Mit feiner werdender Auflösung weicht darüber hinaus die Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung der Wolkengrößen und des vertikalen Massenflusses immer stärker von der exponentiellen Verteilung ab. Für größere Werte in den Verteilungen zeigen sich Übereinstimmungen mit einer Power-Law Verteilung. Durch die Partitionierung der Wolken-Cluster in deren zugrundeliegende, einzelne Aufwindbereiche kann die erwartete, exponentielle Verteilung des Massenflusses und der Wolkengrößen wieder hergestellt werden. Das theoretische Modell ist daher in hochaufgelösten Simulationen für die einzelnen Aufwindbereiche gültig, allerdings müssen die Cluster-Effekte im Wolkenensemble hierbei berücksichtigt werden.

• Item Type: Theses (Dissertation, LMU Munich)
• Keywords: Convective clouds, radiative-convective equilibrium, high-resolution numerical experiments
• Subjects: 500 Natural sciences and mathematics; 500 Natural sciences and mathematics > 530 Physics
• Faculties: Faculty of Physics
• Language: English
• Date of oral examination: 25. November 2014
• 1. Referee: Craig, George C.
• Signature of the printed copy: 0001/UMC 22726