Universität zu Köln

Variability of Integrated Water Vapour: An Assessment on Various Scales with Observations and Model Simulations over Germany

Steinke, Sandra (2017) Variability of Integrated Water Vapour: An Assessment on Various Scales with Observations and Model Simulations over Germany. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Since water vapour plays a key role in several atmospheric processes on various scales including cloud formation and precipitation it is highly variable in both space and time. The characterization and quantification of its variability is crucial for improvement in parametrization of subgrid scale processes in climate and weather prediction models as well as for evaluation of highly resolving simulations. The present work focuses on the characterization and quantification of integrated water vapour (IWV) variability on meso-α to meso-γ scales over Germany. First of all, a multi-instrument intercomparison during the two months of High Definition Clouds and Precipitation for advancing Climate Prediction (HD(CP)^2) Observational Prototype Experiment (HOPE) is performed to provide a realistic error estimate for the individual instruments observing IWV. The campaign took place from 1 April to 31 May 2013 at the Forschungszentrum Jülich (FZJ) in Germany (50.9°N, 6.4°E). During this two-month period, standard instrumentation for observing water vapour at Jülich ObservatorY for Cloud Evolution (JOYCE), including Global Positioning System (GPS) antenna of the GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ), a scanning microwave radiometer (MWR), and a sunphotometer from Aerosol Robotic Network (AERONET), was complemented by frequent radiosoundings and four additional MWRs all within less than 4 km distance of each other. In addition to the ground-based measurements, IWV estimates from two Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) retrievals, near infrared (NIR) and infrared (IR), that provide information with spatial resolution of 1 and 3 km, respectively, are available from satellite overpasses. The comparison reveals a good agreement in terms of standard deviation (≤ 1 kg m^−2 ) and correlation coefficient (≥ 0.98). The exception is MODIS, which appears to suffer from insufficient cloud filtering. Based on the results of the intercomparison, observations of the Germany-wide GPS network are chosen for evaluation of two novel Consortium for Small-scale Modelling (COSMO) reanalyses — COSMO-REA2 and COSMO-REA6 — and ERA-Interim to assess their ability to represent IWV. The two highly resolved COSMO reanalyses exhibit a distinctly lower median standard deviation (1.6 kg m^−2) than the global reanalysis ERA-Interim (2.4 kg m^−2) over all GPS stations. In this context it is also shown that a full reanalyses is superior to a dynamical downscaling which is computationally less costly. For the assessment of the variability of IWV multiple methods are applied. The analysis of the auto-correlation of GPS observation and COSMO-REA6 simulation shows the importance of synoptic processes on meso-α scale and the analysis of the power spectrum shows a clear seasonal dependency of IWV variability. On meso-γ scales, standard deviations of IWV derived from MWR measurements reveal high variability (> 1 kg m^−2) even at time scales of a few minutes. This variability cannot be captured by measurements with lower temporal resolution. However, for time intervals above 30 min, observations with 15 min resolution are as capable as MWR to capture the temporal variability. Spatio-temporal variability is assessed with the ICOsahedral Non-hydrostatic (ICON) simulation in Large Eddy Simulation (LES) configuration with a resolution of 156 m for three days. This study reveals that time differences of 30–45 min or a spatial mismatch of 9–10 km can induce standard deviations of approximately 0.7 kg m^−2 . This error depends on the weather situation. The mean diurnal cycle of IWV is analysed in the COSMO reanalyses, ERA-Interim, and GPS observations for spring and summer. In general, the mean diurnal cycles exhibit a minimum in the morning (4:00–10:00 UTC) and a maximum between 14:00 and 23:00 UTC. While the amplitudes of the mean diurnal cycle of IWV observed with GPS vary between 0.4 and 2.0 kg m^−2 (3.0–13.7%) in spring and 0.4–2.6 kg m^−2 (1.4–12.0%) in summer, the mean diurnal cycle simulated with the reanalyses exhibits smaller amplitudes and lower variability in their amplitudes. Also regional differences are found: coastal regions exhibit a shifted diurnal cycle with lower amplitudes while high altitudes exhibit larger amplitudes. Furthermore, the distinction between western and eastern weather situations shows that the strong advection of water vapour associated with western weather situations interferes with the evolution of the diurnal cycle. The reanalysis COSMO-REA6 covering a time period of 19 years allows for assessing regional analysis of trends in IWV. Mean trends of 0.32 and 0.21 kg m^−2 per decade are analysed for COSMO-RE6 and ERA-Interim, respectively. The present work characterizes IWV variability on meso scales over Germany and shows the importance of the consideration of IWV variability e. g. for model evaluations and instrument intercomparisons.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Da Wasserdampf eine Schlüsselrolle in vielen atmosphärischen Prozessen auf unterschiedlichen Skalen, einschließlich Wolkenbildung und Niederschlag, spielt, ist er sowohl räumlich als auch zeitlich sehr variabel. Die Charakterisierung und Quantifizierung seiner Variabilität ist wesentlich für die Verbesserung von Parametrisierungen von Prozessen, die von Klima- und Wettervorhersagemodellen nicht aufgelöst werden können, sowie für die Evaluierung von hoch auflösenden Simulationen. In der vorliegende Arbeit liegt de Schwerpunkt auf der Charakterisierung und Quantifizierung der Variabilität von integriertem Wasserdampf (IWV) auf Skalen von Meso-α bis Meso-γ in Deutschland. Zuallererst wird ein Messinstrumentenvergleich für den zweimonatigen Zeitraum des High Definition Clouds and Precipitation for advancing Climate Prediction (HD(CP)^2) Observational Prototype Experiments (HOPE) durchgeführt um eine realistische Fehlerabschätzung für die einzelnen Instrumente zu geben. Die Kampagne fand vom 1. April bis zum 31. Mai 2013 am Forschungszentrum Jülich (FZJ) in Deutschland (50,9°N, 6,4°E) statt. Während dieser zwei Monate wurde die standardmäßige Geräteausstattung des Jülich ObservatorY for Cloud Evolution (JOYCE), die eine Global Positioning System (GPS) Antenne des GeoForschungsZentrums Potsdam, ein scannendes Mikrowellenradiometer (MWR) und ein Sonnenphotometer des Aerosol Robotic Network (AERONET) einschließt, ergänzt um regelmäßige Radiosondenaufstiege und vier weitere MWR, wobei alle Geräte in einer Entfernung von weniger als 4 km zueinander positioniert wurden. Zusätzlich zu den bodengebundenen Messungen, stehen IWV Abschätzungen von zwei Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) Produkten, aus Messungen im infraroten und nahem infraroten Bereich, von Satellitenüberflügen zur Verfügung, die Information mit einer räumlichen Auflösung von jeweils 1 und 3 km liefern. Der Vergleich zeigt eine gute Übereinstimmung im Hinblick auf Standardabweichung (≤ 1 kg m^− 2) und Korrelationskoeffizienten (≥ 0, 98) mit Ausnahme von MODIS, das unter unzureichender Wolkenfilterung leidet. Basierend auf den Ergebnissen des Vergleichs, werden Messungen des Deutschlandweiten GPS Netzwerks zur Evaluierung zweier neuartiger COSMO Reanalysen — COSMO-REA2 und COSMO-REA6 — verwendet um ihre Darstellung des IWV zu bewerten. Die zwei hoch auflösenden COSMO Reanalysen weisen einen deutlich geringeren Median über alle GPS Stationen der Standardabweichung (1,6 kg m^− 2) auf als ERA-Interim (2,4 kg m^−2). In diesem Zusammenhang wird außerdem gezeigt, dass eine vollständige Reanalyse einem dynamischen Downscaling, dass weniger rechenzeitintensiv ist, überlegen ist. Für die Untersuchung der Variabilität von IWV werden mehrere Methoden angewandt. Die Analyse der Autokorrelation von GPS Messungen und COSMO-REA6 Simulationen zeigt die Bedeutung synoptischer Prozesse auf der Meso-α-Skala. Die Analyse der Spektraldichte zeigt eine deutliche jahreszeitliche Abhängigkeit der IWV Variabilität. Auf Meso-γ-Skalen zeigen die Standardabweichungen von IWV, gemessen mit einem MWR, sogar auf Zeitskalen von wenigen Minuten eine hohe Variabilität (> 1 kg m^−2). Diese Variabilität kann von Messungen mit einer geringeren zeitlichen Auflösung nicht erfasst werden. Für Zeiträume über 30 min jedoch sind Messungen mit einer zeitlichen Auflösung von 15 min in der Lage die räumliche Variabilität genauso gut wiederzugeben, wie die Messungen mit einem Mikrowellenradiometer. Die räumlich-zeitliche Variabilität wird aus einer Simulation mit dem ICOsahedral Non-hydrostatic (ICON) Modell in Large Eddy Simulations (LES) Konfiguration mit einer Auflösung von 156 m über drei Tage abgeschätzt. Diese Studie zeigt, dass Zeitunterschiede von 30–45 min oder eine räumlich Verschiebung von 9-10 km Standardabweichungen von ca. 0,7 kg m^−2 verursachen kann. Dieser Fehler hängt von der jeweiligen Wettersituation ab. Der mittlere Tagesgang des IWV im Frühling und Sommer wird in den COSMO Reanalysen, ERA-Interim und GPS Messungen untersucht. Grundsätzlich weist der mittlere Tagesgang ein Minimum am Morgen (4:00–10:00 UTC) und ein Maximum zwischen 14:00 und 23:00 UTC auf. Während die Amplituden des mittleren Tagesgangs des IWV gemessen mit GPS je nach Station zwischen 0,4 und 2,0 kg m^−2 (3,0–13,7%) im Frühling und 0,4–2,6 kg m^−2 (1,4–12,0%) im Sommer variieren, zeigt der mittlere Tagesgang der Reanalysen kleinere Amplituden und eine geringer Variabilität in den Amplituden. Außerdem werden regionale Unterschiede gefunden: küstennahe Regionen weisen eine Verschiebung im Tagesgang mit kleineren Amplituden auf während in höheren Lagen der Tagesgang größere Amplituden aufweist. Des Weiteren zeigt eine Unterscheidung zwischen westlichen und östlichen Wettersituationen, dass die Wasserdampfadvektion, die mit westlichen Wetterlagen einhergeht, die Entwicklung des Tagesgangs überlagert. Die Reanalyse COSMO-REA6 deckt einen Zeitraum von 19 Jahren ab und ermöglicht somit die regionale Analyse von Trends im IWV. Mittlere Trends von 0,32 und 0,21 kg m^−2 pro Dekade werden in COSMO-REA6 und ERA-Interim gefunden. Die vorliegende Arbeit charakterisiert die Meso-skalige Variabilität von IWV in Deutschland und zeigt die Bedeutung der Berücksichtigung von IWV Variabilität z.B. für Modellevaluationen und Instrumentenvergleiche.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Steinke, Sandrasandra.steinke@uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-76293
    Subjects: Earth sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    integrated water vapourEnglish
    precipitable waterEnglish
    remote sensingEnglish
    atmosphereEnglish
    reanalysisEnglish
    meteorologyEnglish
    water cycleEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Geophysik und Meteorologie
    Language: English
    Date: 2017
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 19 January 2017
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 19 Jun 2017 16:06:15
    Referee
    NameAcademic Title
    Crewell, SusanneProf. Dr.
    Neggers, RoelProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7629

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