Soil moisture-precipitation coupling over Central Europe

Baur, Florian (2019): Soil moisture-precipitation coupling over Central Europe: relative impact of surface heterogeneity on deep convection. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Forecasting the location and intensity of potentially devastating convective weather events is one of the major challenges of numerical weather prediction. Modern convective-scale ensemble prediction systems account for different sources of uncertainty but often have problems to adequately represent the forecast uncertainty. Perturbation of relevant but underrepresented processes can mitigate this underdispersion. However, research on the relative role of various convective-scale uncertainties is in its infancy. For example, opposing signs in soil moisture-precipitation coupling (SMP coupling) and its scale-dependence are still under debate. The first part of this thesis examines the collective impact of soil moisture bias, as well as its heterogeneity on various length-scales on the forecast of convective precipitation in real-case scenarios over Central Europe. A series of experiments performed with the Consortium for Small-scale MOdeling (COSMO) model at 2.8 km grid spacing is conducted for several summer cases differing in their synoptic conditions. Various heterogeneity length-scales between 30 km and 110 km are introduced by chessboard patterns and superposed with a bias of ±25 %. The experiments reveal a nonlinear yet positive correlation between a large-scale soil moisture bias to the domain-averaged precipitation, especially during weak synoptic forcing. In contrast, a negative local SMP coupling with increased precipitation over the dry patches is found. This spatial coupling is traced back to an interaction between thermally induced circulations and the background wind, causing a persistent updraft region on the downwind flank of dry patches. These enhanced circulation cells are dominant for tile sizes of 40 km to 80 km, leading to preferential initiation of convection and result in a smaller day-to-day variability. The spatial locking of convection initiation is weaker at other heterogeneity scales or synoptic conditions. The second part assesses the effect of three specific sources of uncertainty by examining the relative impact of soil moisture, stochastic Boundary-Layer (BL), and cloud condensation nuclei perturbations on the forecast of convective precipitation and its variability. Therefore, several COSMO experiments for ten consecutive days with different synoptic conditions chosen from a high impact weather period in summer 2016 over Central Europe are conducted. While the amount of daily accumulated precipitation remains almost unchanged for all perturbed-parameter ensembles, the spatial and ensemble variability of precipitation exhibits pronounced differences. While all perturbed-parameter ensembles generate a non-negligible amount of variability, there are two features discerning soil moisture perturbations from the remaining parameters. Soil moisture heterogeneity primarily introduces variability during convection initiation, causing a steeper increase in normalized rainfall spread before the onset of afternoon precipitation. Stochastic BL perturbations and perturbed aerosol concentrations, however, impact spatial precipitation variability from the model start onwards. Furthermore, soil moisture heterogeneity shows the strongest sensitivity to the synoptic regime with the largest impact during weak forcing. The results of this thesis thus suggest that systematic initial soil moisture perturbations can potentially mitigate lack of spread in convective-scale ensembles.

Abstract

Die Vorhersage von Ort und Intensität potenziell verheerender, konvektiver Wetterereignisse ist eine der größten Herausforderungen der numerischen Wettervorhersage. Moderne Ensemble-Vorhersagesysteme auf konvektiver Skala berücksichtigen zwar unterschiedliche Unsicherheitsquellen, haben jedoch häufig Probleme, die Vorhersageunsicherheit einzuschätzen. Die Störung relevanter, aber unterrepräsentierter Prozesse kann die Darstellung der Vorhersageunsicherheit verbessern. Die Untersuchung der Wichtigkeit verschiedener Prozesse zur Vorhersage von Konvektion steht jedoch noch am Anfang. Zum Beispiel ist das Vorzeichen der Bodenfeuchte-Niederschlags-Kopplung und deren Skalenabhängigkeit immer noch umstritten. Der erste Teil dieser Arbeit untersucht den kollektiven Einfluss der Bodenfeuchtebiase, sowie deren Heterogenität auf verschiedene Längenskalen, auf die Vorhersage konvektiver Niederschläge in realen Wetterszenarien über Mitteleuropa. Mittels des Consortium for Small-scale MOdeling (COSMO)-Modells mit einer Gitterweite von 2.8 km wurde eine Reihe von Experimenten für mehrere Sommertage durchgeführt, welche sich in ihren synoptischen Bedingungen unterscheiden. Verschiedene Längenskalen der Heterogenität zwischen 30 und 110 km werden durch Schachbrettmuster eingeführt und mit einem Bias von ±25 % überlagert. Die Experimente zeigen insbesondere bei schwachem synoptischem Antrieb eine nichtlineare, aber positive Korrelation zwischen einem großräumigen Bodenfeuchtebias und dem gebietsgemittelten Niederschlag. Im Gegensatz dazu wird eine negative, lokale Bodenfeuchte-Niederschlags-Kopplung mit erhöhtem Niederschlag über den trockenen Feldern des Schachbrettes gefunden. Diese räumliche Kopplung ist auf eine Wechselwirkung zwischen thermisch induzierten Zirkulationen und dem Hintergrundwind zurückzuführen, die eine persistente Aufwindregion an der Abwindflanke trockener Felder verursacht. Diese Zellen mit intensivierter Zirkulation dominieren bei Schachbrettgrößen von 40 bis 80 km, was zu einer bevorzugten Initiierung von Konvektion und zu einer geringeren Variabilität zwischen den Fallstudien führt. Die räumliche Verknüpfung der Konvektionsauslösung bei anderen Längenskalen oder synoptischen Bedingungen ist jedoch schwächer. Im zweiten Teil werden die Auswirkungen von drei spezifischen Unsicherheitsquellen betrachtet, indem der relative Einfluss von Störungen der Bodenfeuchte, der Grenzschicht - und der Konzentration von Kondensationskeimen auf die Vorhersage von konvektivem Niederschlag und dessen Variabilität untersucht wird. Dazu werden für zehn aufeinanderfolgende Tage mit unterschiedlichen synoptischen Bedingungen, welche aus einer Unwetterperiode im Sommer 2016 über Mitteleuropa stammen, mehrere COSMO Experimente durchgeführt. Während die Menge des akkumulierten Niederschlags für alle Störparameter nahezu unverändert bleibt, weist die räumliche Variabilität und akkumulierte Ensemblevariabilität des Niederschlags deutliche Unterschiede auf. Auch wenn alle gestörten Parameter-Ensembles ein nicht zu vernachlässigendes Maß an Variabilität erzeugen, gibt es zwei Merkmale, welche die Bodenfeuchtestörungen von den übrigen Parametern unterscheiden. Bodenfeuchteheterogenität führt zu einem Anstieg der Variabilität während der Initiierungsphase von Konvektion, was zu einer steileren Zunahme der normalisierten Niederschlagsausbreitung führt. Stochastische Grenzschichtstörungen und Störungen der Anzahl an Kondensationskeimen wirken sich jedoch ab Modellinitiierung auf die räumliche Niederschlagsvariabilität aus. Darüber hinaus zeigt die Bodenfeuchteheterogenität die höchste Sensitivität gegenüber dem synoptischen Regime, wobei der stärkste Effekt bei schwachem Antrieb zu beobachten ist. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen daher nahe, dass systematische Bodenfeuchtigkeitsstörungen den Mangel an Variabilität in konvektivskaligen Ensemblevorhersagen mindern können.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: convection, numerical weather forecast, precipitation, soil moisture, evaporation, Central Europe, convective precipitationsoil moisture heterogeneity
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 25. Juli 2019
• 1. Bericht­erstatter:in: Craig, George C.