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Thesis

On the interaction of precipitating convection with its environment and the role of convective organization

MPS-Authors
http://pubman.mpdl.mpg.de/cone/persons/resource/persons133201

Becker,  Tobias
IMPRS on Earth System Modelling, MPI for Meteorology, Max Planck Society;
Climate Modelling, The Atmosphere in the Earth System, MPI for Meteorology, Max Planck Society;

Locator
There are no locators available
Fulltext (public)

BzE_202_Becker_web.pdf
(Publisher version), 23MB

Supplementary Material (public)
There is no public supplementary material available
Citation

Becker, T. (2018). On the interaction of precipitating convection with its environment and the role of convective organization. PhD Thesis, Universität Hamburg, Hamburg. doi:10.17617/2.2525402.


Cite as: http://hdl.handle.net/21.11116/0000-0000-29BB-0
Abstract
Precipitating convection interacts with its environment across a large range of scales. In this thesis, we quantify the role of convective organization in this interaction in two ways: first, we explore how convective organization – in form of convective self-aggregation – is affected by the coupling of convection to its environment, and second, we explore how convective aggregation affects the coupling of convection to the environment. Using the general circulation model ECHAM6 in a radiative-convective equilibrium (RCE) configuration, we show that the convective parameterization, and in particular the entrainment parameter, control the degree of large-scale convective self-aggregation, and how self-aggregation depends on sea-surface temperature (SST). Self-aggregation is independent of SST when the entrainment rate for deep convection is set to zero or when the convective parameterization is removed from the model. In the former case, con- vection aggregates very weakly, whereas in the latter case, convection aggregates very strongly. With a nontrivial representation of convective entrainment, large-scale convec- tive self-aggregation depends nonmonotonically on SST. At low SSTs, convection is more aggregated the lower the SST because the relative importance of surface moisture fluxes for the onset of convection increases. At high SSTs, convection is more aggregated the higher the SST because the saturation deficit of entrained air increases with SST. To investigate how convective aggregation affects the coupling of convection to its envi- ronment, we estimate bulk entrainment rates from two convection-permitting RCE simu- lations with the ICON model, one with unaggregated and one with aggregated convection. We find that bulk entrainment rates are higher in case of aggregated convection because of a strong increase of turbulence in the close environment of the aggregated updrafts. Even though entrainment rate increases with aggregation, we find that aggregated updrafts ex- perience less buoyancy reduction through entrainment because aggregated updrafts are protected by a moist shell. Bulk entrainment rates estimated in convection-permitting simulations over the tropical Atlantic show that an increase of bulk entrainment rate with aggregation is not confined to RCE simulations. With this more realistic simulation setup, we quantify convective aggregation based on updraft size and updraft isolation, and find that aggregated (large and nonisolated) updrafts have higher entrainment rates than unaggregated (small and isolated) updrafts. Aggregated updrafts also have a moister shell, but as this effect is weaker than in RCE, the moistening of the convective shell is just sufficiently pronounced to balance, with respect to updraft buoyancy, the higher entrainment rate.
Konvektion, die Niederschlag erzeugt, interagiert mit ihrer Umgebung ¨ uber viele Skalen hinweg. In dieser Doktorarbeit quantifizieren wir die Rolle von konvektiver Organisation in dieser Interaktion auf zwei Weisen: Einerseits erforschen wir, wie konvektive Organisation – in Form von konvektiver Selbstaggregation – von der Wechselwirkung von Konvektion mit ihrer Umgebung beeinflusst wird, andererseits erforschen wir, wie konvektive Aggre- gation die Wechselwirkung von Konvektion mit ihrer Umgebung beeinflusst. Mit dem allgemeinen Zirkulationsmodell ECHAM6 in einem Strahlungs-Konvektions- Gleichgewicht (RCE) zeigen wir, dass die Konvektionsparametrisierung und insbesondere der Einmischparameter den Grad der großskaligen konvektiven Selbstaggregation kontrol- lieren und wie Selbstaggregation von der Meeresoberfl¨achentemperatur (SST) abh¨angt. Selbstaggregation ist unabh¨angig von der SST, wenn der Einmischparameter f¨ ur tiefe Kon- vektion auf Null gesetzt wird oder wenn die Konvektionsparametrisierung aus dem Modell entfernt wird. Im ersteren Fall aggregiert die Konvektion sehr schwach, wohingegen im letzteren Fall die Konvektion sehr stark aggregiert. Mit einer nichttrivialen Repr¨asentation von konvektiver Einmischung h¨angt Selbstaggregation nicht monoton von der SST ab. Bei geringen SSTs ist Konvektion je st¨arker aggregiert, desto geringer die SST, weil die relative Bedeutung von Verdunstung aus dem Ozean f¨ ur das Auftreten von Konvektion steigt. Bei hohen SSTs ist Konvektion je st¨arker aggregiert, desto h¨oher die SST, weil das S¨attigungsdefizit von eingemischter Luft mit steigender SST steigt. Um zu erforschen wie konvektive Aggregation die Wechselwirkung von Konvektion mit ihrer Umgebung beeinflusst, sch¨atzen wir Sammeleinmischraten aus zwei Konvek- tion aufl¨osenden RCE Simulationen mit dem ICON Modell ab, einmal mit unaggregierter und einmal mit aggregierter Konvektion. Wir entdecken, dass Sammeleinmischraten im Fall von aggregierter Konvektion h¨oher sind, weil die Turbulenz in der unmittelbaren Umgebung von Aufwinden h¨oher ist. Obwohl Einmischraten mit zunehmender Aggrega- tion steigen, erfahren die aggregierten Aufwinde eine geringere Auftriebsreduktion durch Einmischung, weil aggregierte Aufwinde durch eine feuchte H¨ ulle gesch¨ utzt sind. Sammeleinmischraten, abgesch¨atzt aus Konvektion aufl¨osenden Simulationen ¨ uber dem tropischen Atlantik, zeigen, dass ein Anstieg der Sammeleinmischrate mit zunehmender Aggregation nicht auf RCE Simulationen beschr¨ankt ist. Mit dieser realistischeren Simula- tionskonfiguration quantifizieren wir konvektive Einmischraten basierend auf Aufwindgr¨oße und Aufwindisolation und entdecken, dass aggregierte (große und nicht-isolierte) Aufwinde h¨ohere Einmischraten als unaggregierte (kleine und isolierte) Aufwinde haben. Aggregierte Aufwinde haben auch eine feuchtere H¨ulle, aber weil dieser Effekt schw¨acher ausgepr¨agt ist als in RCE, reicht die feuchtere H¨ulle nur gerade aus, um die höhere Einmischrate bezüglich des Aufwindauftriebs auszugleichen