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Zusammenstellung der Arbeiten zu AMMA in der AG Landoberflächen und Grenzschicht

In Westafrika spielen konvektive Systeme eine wichtige Rolle für den Wasserkreislauf, da sie den überwiegenden Beitrag zu den Jahresniederschlägen liefern. Untersuchungen zeigen, dass in Westafrika Rückkopplungen zwischen Erdoberfläche, Atmosphäre und konvektivem Niederschlag bestehen. Obwohl Westafrika als ein "hot spot" für solche Rückkopplungen gilt, ist das Wissen über diese Interaktionen während der verschiedenen Phasen des westafrikanischen Monsuns gering. Im Rahmen des AMMA-Projektes werden vom IMK einige Aspekte der Wechselwirkungsprozesskette Boden-Atmosphäre untersucht. Diese umfassen den Einfluss der Bodenfeuchte auf die Energiebilanz der Erdoberfläche, die Abhängigkeit des Grenzschichtzustandes von den turbulenten Flüssen latenter und fühlbarer Wärme am Boden sowie den Einfluss des Grenzschichtzustandes auf die konvektive Instabilität der Atmosphäre. Die Auswirkungen von Bodenfeuchte- und Grenzschichtinhomogenitäten auf die Auslösung und Modifikation mesoskaliger konvektiver Systeme ist Bestandteil von konvektionsauflösenden Modellsimulationen. Um die Auswirkungen von MCSs auf den Boden- und Atmosphärenzustand zu analysieren, stehen Radiosonden-, Sodar- und Bodenmessungen zur Verfügung. Einige Ergebnisse zur Boden-Atmosphären-Wechselwirkung sind:

  • Kohler et al. (2010) verwendeten Bodenbeobachtungen von Dano/Burkina Faso (3°W, 11°N), um den Zusammenhang zwischen Bodenfeuchte und der Energiebilanz der Erdoberfläche (Abbildung 1), der Grenzschicht und der präkonvektiven Atmosphäre zu untersuchen.

 

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Abbildung 1: Volumenanteil der Bodenfeuchte, Θvol, in verschiedenen Tiefen (oben), Niederschlag (mitte) und Bodentemperatur, T, in verschiedenen Niveaus (unten) 2006. Die Messungen wurden während der AMMA Kampagne 2006 in Bontioli, Burkina Faso (3°W, 11°N), durchgeführt.

 

  • In einer weiteren Studie verwendeten Kohler et al. Messungen von Bodenfeuchte und -temperatur, sowie bodennahe Beobachtungen meteorologischer Parameter und Energiebilanzkomponeten um zwei Mehrschichten-Boden-Vegetations-Modelle (SVAT) zu validieren.
  • Abdou et al. (2010) untersuchten den Tagesgang des unteren Teils der Grenzschicht während des Monsuns.
  • Truckemüller (2008) verwendete Beobachtungen und Heidt (2006) und Gantner and Kalthoff (2010) Modellsimulationen um den Zusammenhang zwischen der Auslösung und Entwicklung von MCSs und Bodenfeuchteinhomogenitäten zu untersuchen. Der Niederschlag eines ausgereiften Systems reduziert sich bei der Annäherung an ein trockenes Band mit geringer Bodenfeuchte deutlich (Abbildung 2).

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Abbildung 2: Gesamtniederschlag über 24 h in mm ab 0600 h am 11. Juni 2006. (a) Zwischen 1°W und 3°W wird ein Band mit geringer Bodenfeuchte in die homogene Bodenfeuchteverteilung von (b) eingefügt. (Aus Gantner and Kalthoff, 2010)

 

  • Adler (2010) verwendete Budgetrechnungen für Temperatur und Feuchte um die Prozesse zu untersuchen, welche für die Entwicklung konvektionsrelevanter Parameter und die Auslösung und Entwicklung von konvektivem Niederschlag verantwortlich sind.

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Abbildung 3: Vertikalschnitt des Flüssigwassergehalts (farbkodiert), der die Wolken anzeigt (links) und der Änderung der spezifischen Feuchte aufgrund eines Phasenübergangs (farbcodiert) und der vertikalen Advektion in g/(kg h) (Isolinien ohne Null) (rechts) bei 12,5°N. Eine positive Veränderung der Luftfeuchtigkeit durch vertikale Advektion liefert Feuchtigkeit, die in den Wolken kondensiert und über eine negative Veränderung der Luftfeuchtigkeit durch den Phasenübergang identifiziert werden kann.

 

  • Klüpfel (2010) verwendete Bodenfeuchtedaten aus verschiedenen Quellen (Satellitendaten, Modelldaten und Bodenbeobachtungen) (Abbildung 4) um deren Einfluss auf die Entwicklung konvektiver Niederschläge in COSMO-Modellsimulationen zu untersuchen.

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Abbildung 4: Bodenfeuchtefelder (Volumenanteil der Bodenfeuchte) beobachtet von AMSR-E (links), Komposite für den 31.07.2006, und aus dem ALMIP Experiment 3 (Boone et al. 2009, rechts), erstellt mit dem Bodenmodell HTESSEL des EZMW (31.07.2006, 12 UTC).

 

  • Schwendike et al. (2010) analysierten Beobachtungen um den Einfluss von MCS-Systemen auf Boden, Erdoberfläche und Grenzschicht und deren Erholungszeit nach MCS-Passagen vor Beginn des Monsuns und während des Sommer-Monsuns zu untersuchen.

 

 

Literatur

  • Abdou K., Parker D. J., Brooks B., Kalthoff N., Lebel T., 2010: The diurnal cycle of lower boundary-layer wind in the West African monsoon. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 136, 66–76, DOI: 10.1002/qj.536.
  • Adler, B., 2010: Der Einfluss von Landoberflächeninhomogenitäten auf die Auslösung und Entwicklung eines mesoskaligen konvektiven Systems: Eine budgetbasierte Modellanalyse. Diplomarbeit.
  • Gantner, L., Kalthoff, N., 2010: Sensitivity of a modelled life cycle of a mesoscale convective system to soil conditions over West Africa. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 136, 471-482, DOI: 10.1002/qj.425.
  • Hofheinz, P., 2008: Auslösebedingungen und tageszeitliche Entwicklung von Konvektion während des Westafrikanischen Monsuns 2006. Diplomarbeit.
  • Heidt, S., 2006: Simulation konvektiver Episoden im tropischen Westafrika mit dem Lokal-Modell des Deutschen Wetterdienstes. Diplomarbeit.
  • Kohler, M., Kalthoff, N., Kottmeier, Ch., 2010: The impact of soil moisture modifications on CBL characteristics in West Africa: A case-study from the AMMA campaign. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 136, 442–455, DOI: 10.1002/qj.430.
  • Schwendike, J., Kalthoff, N., Kohler, M., 2010: The impact of mesoscale convective systems on the surface and boundary layer structure in West Africa: case studies from the AMMA campaign. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 136, 566-582,  DOI: 10.1002/qj.599.
  • Truckenmüller, M., 2008: Mesoskalige konvektive Systeme während des Westafrikanischen Monsuns: Analyse der Messdaten und Modellergebnisse der AMMA-Episode SOP2. Diplomarbeit.