Impacts of Coastal Terrain on Warm-Sector Heavy-Rain-Producing MCSs in Southern China

Warm-sector heavy rainfall in southern China refers to the heavy rainfall that occurs within a weakly-forced synoptic environment under the influence of monsoonal airflows. It is usually located near the southern coast, and is characterized by poor predictability and a close relationship with coastal terrain. This study investigates the impacts of coastal terrain on the initiation, organization and heavy-rainfall potential of MCSs in warm-sector heavy rainfall over southern China using quasi-idealized WRF simulations and terrain-modification experiments. Typical warm-sector heavy rainfall events were selected to produce composite environments that forced the simulations. MCSs in these events all initiated in the early morning and developed into quasi-linear convective systems along the coast with a prominent backbuilding process. When the small coastal terrain is removed, the maximum 12-h rainfall accumulation decreases by ~46%. The convection initiation is advanced ~2 h with the help of orographic lifting associated with flow interaction with the coastal hills in the control experiment. Moreover, the coastal terrain weakens near-surface winds and thus decreases the deep-layer vertical wind shear component perpendicular to the coast and increases the component parallel to the coast; the coastal terrain also concentrates the moisture and instability over the coastal region by weakening the boundary layer jet. These modifications lead to faster upscale growth of convection and eventually a well-organized MCS. The coastal terrain is beneficial for backbuilding convection and thus persistent rainfall by providing orographic lifting for new cells on the western end of the MCS, and by facilitating a stronger and more stagnant cold pool, which stimulates new cells near its rear edge.

100 Messstationen – eine Stadt: Die raum-zeitliche Variabilität der Lufttemperatur in Hamburg während der Messkampagne FESST@HH 2020

<p>Mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung lebt in urbanen Räumen, Tendenz steigend. Umso bedeutender ist das vermehrte Auftreten von Hitzewellen und den damit verbundenen Hitzestress, die mit dem Klimawandel zusammenhängen. Die Gefährdung der menschlichen Gesundheit, insbesondere in Städten, wird steigen. Deshalb ist es wichtig, die Auswirkungen der Stadteffekte, wie die städtische Wärmeinsel (Urban Heat Island, UHI), auf das Stadtklima zu untersuchen. Hierbei sind die raumzeitliche Entwicklung der UHI als auch die Einflussgrößen auf die UHI von Bedeutung.</p> <p>Zahlreiche Studien haben sich bereits mit der UHI beschäftigt, doch die Besonderheit unserer Untersuchung der UHI liegt im dichten Messnetzwerk rund um und in Hamburg mit über 100 Stationen während der Messkampagne FESS@HH im Sommer (Juni bis August) 2020. Dabei kamen die sogenannten „APOLLOs“ ("Autonomous cold POoL LOgger") zum Einsatz, die das Rückgrat der Kampagne mit 81 Stationen bilden. Diese messen jede Sekunde die Lufttemperatur und den Luftdruck in Bodennähe. Das Messnetz wird mit 21 Wetterstationen ergänzt, die zusätzlich die relative Feuchte, Wind sowie den Niederschlag mit 10 s Auflösung aufzeichnen. Diese Messungen bilden somit einen hochaufgelösten Datensatz zur Temperaturverteilung in Hamburg, sodass die raumzeitliche Struktur der UHI untersuchbar ist. Um die Variabilität in der UHI Intensität zu verstehen, werden die Wetterbedingungen, wie die Windgeschwindigkeit oder der Bedeckungsgrad, in den Nächten mit einem UHI-Signal betrachtet. Des Weiteren wird der Einfluss der Entfernung einer Station vom Stadtzentrum sowie der Standorteigenschaften auf die UHI untersucht.</p> <p>Das UHI-Signal ist im Mittel über alle untersuchten Nächte in bis zu 6 km Entfernung vom Stadtzentrum messbar. Der Zeitpunkt in der Nacht, an dem die UHI Intensität ihr Maximum erreicht, ist unabhängig vom Sonnenuntergang und -aufgang. Zudem sind sowohl die Ausbildung als auch die Auflösung der nächtlichen UHI variabel. Erste Ergebnisse zeigen, dass die bodennahe Windgeschwindigkeit maßgeblich die Stärke der UHI bestimmt. Einflussparameter wie zum Beispiel der Bedeckungsgrad zeigen hingegen nur eine schwache Korrelation. Abgesehen von der UHI, wird der Einfluss der Bebauung, der Vegetation sowie der Wasserflächen auf die lokale Lufttemperatur analysiert.</p>

FESST@HH 2020: Ein dichtes Messnetz als Lupe für die Struktur konvektiver Cold Pools

<p>Cold Pools sind mesoskalige Gebiete kalter und dichter Luftmassen, die durch Verdunstung von Hydrometeoren unterhalb regnender Wolken entstehen. Während die kalte Luft absinkt und sich als Dichteströmung an der Erdoberfläche ausbreitet, löst sie durch Hebung an ihrer Vorderseite häufig neue Konvektion aus oder forciert den Übergang von flacher zu tiefer Konvektion. Viele modellbasierte Arbeiten belegen die Bedeutung von Cold Pools für die Organisation von Konvektion. Operationelle Messnetze mit einer typischen Maschenweite von 25 km hingegen sind blind für sub-mesoskalige (O(100) m — O(10) km) Prozesse wie Cold Pools und erlauben somit weder die Untersuchung noch die Validierung ihrer raum-zeitlichen Struktur.</p> <p>Im Rahmen der Messkampagne FESST@HH wurde von Juni bis August 2020 im Großraum Hamburg (50 km × 35 km) ein dichtes Netz bestehend aus 103 meteorologischen Messstationen betrieben. Das Rückgrat des Messnetzes bildeten 82 eigens für diesen Zweck entwickelte und gebaute APOLLO-Stationen (Autonomous cold POoL LOgger), die Lufttemperatur und -druck mit trägheitsarmen Sensoren in sekündlicher Auflösung messen. Das Netzwerk wurde mit 21 Wetterstationen ergänzt, die zusätzlich Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit und Niederschlag in 10-sekündiger Auflösung aufzeichnen und auf kommerziellen Sensoren basieren. Ein besonderes Merkmal von FESST@HH ist, dass die Durchführung der Kampagne während der COVID19-Pandemie nur durch eine große Zahl Freiwilliger ermöglicht wurde, die kurzfristig Messstandorte bereitgestellt und die Betreuung der Instrumente unterstützt haben.</p> <p>Wir präsentieren die neuartigen Messinstrumente und den Datensatz der FESST@HH-Kampagne (DOI: 10.25592/UHHFDM.8966). Ein Fallbeispiel zeigt, dass das dichte Messnetz in der Lage ist sowohl die horizontale Heterogenität des Temperaturfeldes innerhalb eines Cold Pools als auch seine Größe und Ausbreitungsgeschwindigkeit während verschiedener Phasen des Lebenszyklus abzubilden. Darüber hinaus erlauben die Messungen einen neuen Blick auf weitere Quellen sub-mesoskaliger Variabilität wie die nächtliche städtische Wärmeinsel und die Variation turbulenter Temperaturfluktuationen als Ausdruck charakteristischer Standorteigenschaften.</p>

Peering into the internal structure of cold pools and their interactions with a dense observational network

<p>Melting and evaporation of hydrometeors in and below convective clouds generates cold, dense air that falls through the atmospheric column and spreads at the surface like a density current, the cold pool. In modelling studies, the importance of cold pools in controlling the lifecycle of convection has often been emphasized, being through their organization of the cloud field or through their sheer deepening of the convection. Larger, longer-lived cold pools benefit convection, but little is actually known on the size and internal structure of cold pools from observations as the majority of cold pools are too small to be captured by the operational surface network.  One aim of the field campaign FESSTVaL was to peer into the internal structure of cold pools and their interactions with the underlying land surface by deploying a dense network of surface observations. This network consisted of 80 self-designed cold pool loggers, 19 weather stations and 83 soil sensors deployed in an area of 15 km around Lindenberg. FESSTVaL took place from 17 May to 27 August 2021.</p> <p>In principle, cold pool characteristics are affected both by the atmospheric state, which fuels cold pools through melting and evaporation of hydrometeors, and the land surface, which acts to destroy cold pools through friction and warming by surface fluxes. In this talk, the measurements collected during FESSTVaL will be used to shed light on these interactions.  We are particularly interested to assess how homogeneous the internal structure of cold pools is and whether heterogeneities of the land surface imprint themselves on this internal structure. The results will be compared to available model simulations.</p>

Vergleiche von Profilen der turbulenten kinetischen Energie in der Atmosphärischen Grenzschicht auf der Basis von Doppler-Lidar-Messungen mit Simulationsergebnissen des NWV-Modells ICON

<p>Bestandteil des Gleichungssystems im Wettervorhersage-Modell ICON des DWD ist neben den klassischen Gleichungen für die zeitliche Änderung der Temperatur, des Windes und des Wassergehaltes der Atmosphäre in allen drei Phasen auch eine prognostische Gleichung für die turbulente kinetische Energie (TKE). Hieraus ergibt sich zunehmend der Bedarf nach Messdaten zur Verifikation der Modellergebnisse auch für diese Variable. Operationelle Messungen der TKE werden in der Praxis nur an wenigen Standorten mittels 3D-Ultraschall-Anemometern durchgeführt und sind damit oft auf Höhen in Bodennähe, in Einzelfällen auf Mastmessungen bis etwa 200 m Höhe beschränkt.</p> <p>Am Meteorologischen Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium des DWD wurde in den letzten Jahren ein in der Literatur beschriebenes Verfahren zur Ableitung von Profilen der turbulenten kinetischen Energie (TKE) aus Doppler-Lidar-Messungen implementiert, getestet und anhand mehrmonatiger Datensätze bewertet (vgl. Beitrag von Päschke et al., diese Session). Im vorliegenden Beitrag werden die Ergebnisse dieser Messungen mit den Ergebnissen der operationellen Modellvorhersagen mit ICON verglichen.</p> <p>In einem ersten Schritt werden charakteristische Einzelfälle betrachtet (Cold-Pool-Event, nächtlicher Low-Level Jet, Strahlungstag). Im zweiten Schritt erfolgt eine statistische Analyse gemittelter Tagesgänge der TKE aus Messungen im Vergleich zu den Ergebnissen der NWV-Modelle ICON global, ICON-EU und ICON-D2 unter Berücksichtigung von Jahreszeit, Strahlungsbilanz, Stabilitätsverhältnissen und Windgeschwindigkeit. Besonderes Augenmerk wird dabei auf das seit Februar 2021 im operationellen Betrieb laufende Regionalmodell ICON-D2 gerichtet, das bei einer horizontalen Auflösung von 2.2 km die Auflösung von Konvektion erlaubt. </p>

How well are hazards associated with derechos reproduced in regional climate simulations?

An 11-member ensemble of convection-permitting regional simulations of the fast-moving and destructive derecho of June 29 – 30, 2012 that impacted the northeastern urban corridor of the US is presented. This event generated 1100 reports of damaging winds, significant wind gusts over an extensive area of up to 500,000 km2, caused several fatalities and resulted in widespread loss of electrical power. Extreme events such as this are increasingly being used within pseudo-global warming experiments that seek to examine the sensitivity of historical, societally-important events to global climate non-stationarity and how they may evolve as a result of changing thermodynamic and dynamic context. As such it is important to examine the fidelity with which such events are described in hindcast experiments. The regional simulations presented herein are performed using the Weather Research and Forecasting (WRF) model. The resulting ensemble is used to explore simulation fidelity relative to observations for wind gust magnitudes, spatial scales of convection (as manifest in high composite reflectivity), and both rainfall and hail production as a function of model configuration (microphysics parameterization, lateral boundary conditions (LBC), start date, and use of nudging). We also examine the degree to which each ensemble member differs with respect to key mesoscale drivers of convective systems (e.g. convective available potential energy and vertical wind shear) and critical manifestations of deep convection; e.g. vertical velocities, cold pool generation, and how those properties relate to correct characterization of the associated atmospheric hazards (wind gusts and hail). Here, we show that the use of a double-moment, 7-class scheme with number concentrations for all species (including hail and graupel) results in the greatest fidelity of model simulated wind gusts and convective structure against the observations of this event. We further show very high sensitivity to the LBC employed and specifically that simulation fidelity is higher for simulations nested within ERA-Interim than ERA5.

A climatology of trade-wind cumulus cold pools and their link to mesoscale cloud organization

We present a climatology of trade cumulus cold pools and their associated changes in surface weather, vertical velocity and cloudiness based on more than 10 years of in situ and remote sensing data from the Barbados Cloud Observatory. Cold pools are identified by abrupt drops in surface temperature, and the mesoscale organization pattern is classified by a neural network algorithm based on Geostationary Operational Environmental Satellite 16 (GOES-16) Advanced Baseline Imager (ABI) infrared images. We find cold pools to be ubiquitous in the winter trades – they are present about 7.8 % of the time and occur on 73 % of days. Cold pools with stronger temperature drops (ΔT) are associated with deeper clouds, stronger precipitation, downdrafts and humidity drops, stronger wind gusts and updrafts at the onset of their front, and larger cloud cover compared to weaker cold pools, which agrees well with the conceptual picture of cold pools. The rain duration in the front is the best predictor of ΔT and explains 36 % of its variability. The mesoscale organization pattern has a strong influence on the occurrence frequency of cold pools. Fish has the largest cold-pool fraction (12.8 % of the time), followed by Flowers and Gravel (9.9 % and 7.2 %) and lastly Sugar (1.6 %). Fish cold pools are also significantly stronger and longer-lasting compared to the other patterns, while Gravel cold pools are associated with significantly stronger updrafts and deeper cloud-top height maxima. The diel cycle of the occurrence frequency of Gravel, Flowers, and Fish can explain a large fraction of the diel cycle in the cold-pool occurrence as well as the pronounced extension of the diel cycle of shallow convection into the early afternoon by cold pools. Overall, we find cold-pool periods to be ∼ 90 % cloudier relative to the average winter trades. Also, the wake of cold pools is characterized by above-average cloudiness, suggesting that mesoscale arcs enclosing broad clear-sky areas are an exception. A better understanding of how cold pools interact with and shape their environment could therefore be valuable to understand cloud cover variability in the trades.

Asymmetric Structures of a Squall-Line MCS over Taiwan with Significant Hydraulic Jumps

On 19 April 2019, a mature squall-line mesoscale convective system (MCS) with the characteristics of a leading convective line and trailing stratiform landed on Taiwan, resulting in strong gust wind and heavy rainfall. This squall-line MCS became asymmetric after landfall on Taiwan. Two sets of idealized numerical simulations (mountain heights and low-level vertical wind shear) using the Weather Research and Forecasting (WRF) model were conducted to examine the impacts of realistic Taiwan topography on a squall-line MCS. Results showed numerous similarities between the idealized simulations and real-case observations. The low-level Froude number which considered the terrain height (Fmt) was calculated to examine the blocking effect of the Taiwan terrain, and the cold pool (determined by − 1.5 K isotherm) was found to be completely blocked by the 500-m height contour. The northeast-southwest orientation of the Snow Mountain Range (SMR), and the north–south orientation of the Central Mountain Range (CMR) led to the upwind side asymmetry. On the other hand, the lee-side asymmetry was associated with different intensities and occurrence locations of the hydraulic jump between the SMR and southern CMR, and the cold-pool Froude number (Fcp) indicated the flow-regime transition from subcritical to supercritical.