Universität zu Köln

Tsui, Chi Yan (2015). A Multiscale Analysis Method and its Application to Mesoscale Rainfall System. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Heavy rainfall events often occur over southeastern China and the central United States during the summer rainy seasons. The common features of heavy rainfall events in both regions are the low level jets (LLJ) originated from the nearby seas and their associated mesoscale convective systems (MCS). This kind of events has been investigated in terms of synoptic forcing. However, the mechanism of producing rainfall is still unclear as multi-scale interactions are involved. To better understand the mechanism for the heavy rainfall events, this study develops a multi-scale analysis method and applies it to a rainfall event in southeastern China. A conceptual model for the heavy rainfall system (HRS), is proposed. The HRS consists of a LLJ and an upper level jet (ULJ), MCS and cumulus. The three components are presented based on the observations and analysis in previous studies. These components represent respectively large, middle and small scale motions. Governing equation sets of these three scales are derived by using successive filtering. Cross-scale terms in the resultant equations represent the interactions between the scales. The proposed mechanism can then be explained by use of three simplified equations, corresponding to the jets (large scale), MCS (middle scale) and cumulus (small scale). The simplified equations are obtained through dimensional analysis and only the terms essential to the MCS are retained. With these equations, it is found that an ageostrophic circulation developed between the jets. LLJ’s ageostrophy in the exit region is associated with the vertical mesoscale momentum flux divergence and the deceleration of the jet. Upward momentum transport originated from the cyclonic side of the LLJ reaches the upper atmosphere on the cyclonic side of the ULJ. This momentum transport constitutes the upward branch of the ageostrophic circulation. The downward branch of this circulation is formed by the downward momentum transport from the anti-cyclonic side of the ULJ due to its ageostrophy and it contributes to the momentum flux divergence near the anti-cyclonic side of the LLJ. The mesoscale momentum flux divergence can intensify the jet stream in the entrance region of LLJ. As a result, a closed mesoscale ageostrophic dynamic circulation is formed between the large-scale jets sustaining the LLJ, which in turn keeps supplying large scale moisture for the MCS circulation and small-scale cumuli. The dynamic circulation can also be strengthened by the thermodynamic processes that occur on meso- to small scales. At the LLJ level, at the location of MCS, the ascent is enhanced due to the increase of buoyancy. The buoyancy is associated with the mesoscale heat flux divergence, and this heat flux divergence is associated with the corresponding counterpart of latent heat. The related mesoscale condensation is contributed by small scale cumulus moisture flux divergence and the MCS itself. A reverse process occurs in the downward branch of the circulation with evaporation. As a result, the whole circulation is strengthened. A numerical experiment with the Weather Research and Forecasting Model (WRF) was used to verify the aforementioned hypothesis. A heavy rainfall event on 13 June 2008 over Southeastern China was simulated. The model results from the parent and two nested domains with resolutions corresponding to large, middle and small scales were used in this event. To investigate the significance of the terms in the simplified equations, the quantities related to the jets, MCS and cumulus were computed and the terms related to the essential interactions were evaluated. Overall, the analysis results were consistent with the proposed mechanism. An ageostrophic circulation was found between LLJ and ULJ. The ascents were enhanced due to mesoscale latent heat flux divergence, and thus the circulation was strengthened. This mesoscale latent heat flux divergence was contributed by the condensation on the corresponding scale. Cumulus moisture tended to condense on mesoscale and so the small scale latent heat accumulated on mesoscale. The cumulus heat which was vertically transported on mesoscale was insignificant to the mesoscale heat flux divergence. To sum up, HRS is a collaboration of sub-systems with scales from global to mirco. In summer seasons, ULJ migrates southward to the exit region of the LLJ. When the exit regions of both jets are close to each other, the circulation associated with the jets’ ageostrophy is triggered. Momentum is transported on mesoscale between the jets, and the LLJ is intensified (weakened) in its entrance (exit) region. The associated ascending motion is enhanced by the mesoscale heat flux divergence above the LLJ level, where the MCS and heavy precipitation are located. Large scale moisture is transported horizontally by LLJ, and vertically transport occurs mainly on small cumulus scale below the jet level and on mesoscale above the jet level.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Starkregenereignisse treten oft über Südostchina und den mittleren Vereinigten Staaten während der Sommerregenzeit auf. In beiden Regionen beinhalten die Starkregenereignisse einen „low level jet“ (LLJ), herrührend von der nahe gelegenen See, und das damit verbundene mesoskalige konvektive System (MCS). Diese Art von Ereignissen wurde oft auf synoptische Antriebe untersucht. Der Prozess der Regenerzeugung ist jedoch noch immer unverstanden da multiskalige Wechselwirkungen involviert sind. Um den Mechanismus der Starkregenereignisse besser zu verstehen, wird in dieser Arbeit eine multiskalige Analysemethode entwickelt und auf ein Regenereignis in Südostchina angewendet. Ein Begriffsmodell für das Starkregensystem (engl. heavy rainfall system, HRS) wird vorgeschlagen. Das HRS besteht aus einem LLJ und einem „upper level jet“ (ULJ), MCS und Cumulus. Die drei Komponenten werden basierend auf frühere Beobachtungen und Studien vorgestellt und repräsentieren jeweils groß-, mittel- und kleinskalige Bewegungen. Beschreibende Gleichungssysteme dieser drei Skalen wurden durch sukzessive Filterung hergeleitet. Gemischtskalige Terme in den resultierenden Gleichungen repräsentieren die Wechselwirkungen zwischen den Skalen. Der vorgeschlagene Mechanismus kann somit durch drei vereinfachte Gleichungen beschrieben werden, welche den (großskaligen) Jets, (mittelskaligen) MCS und (kleinskaligen) Cumulus entsprechen. Die Gleichungen wurden dabei durch eine Dimensionsanalyse vereinfacht, und nur die für das MCS wichtigen Terme blieben erhalten. Mit diesen Gleichungen konnte die Entwicklung einer ageostrophischen Zirkulation zwischen den Jets gezeigt werden. Die LLJ-Ageostrophie in der Auslaufsregion ist mit der vertikalen mesoskaligen Impulsflussdivergenz und der Verlangsamung des Jets verbunden. Aufwärts gerichteter Impulstransport rührt von der zyklonischen Seite des LLJ her und erreicht die obere Atmosphäre auf der zyklonalen Seite des ULJ. Dieser Impulstransport bildet den aufwärts gerichteten Zweig der ageostrophischen Zirkulation. Der abwärts gerichtete Zweig wird aufgrund der Ageostrophie von der antizyklonalen Seite des ULJ durch den abwärts gerichteten Impultstransport gebildet und dieser trägt zu der Impulsflussdivergenz nahe der antizyklonalen Seite des LLJ bei. Als Konsequenz wird eine geschlossene mesoskalige ageostrophische dynamische Zirkulation zwischen den großskaligen Jets gebildet, die den LLJ erhält.Der LLJ wiederum stellt im Gegenzug Feuchte von der großen Skalen für die MCS Zirkulation und kleinskaligen Kumuli bereit. Die dynamische Zirkulation kann auch durch thermodynamische Prozesse verstärkt werden, welche auf Meso- bis kleinen Skalen auftreten. Auf dem LLJ-Niveau, am Ort des MCS, wird der Aufstieg durch die Zunahme des Auftriebs verstärkt. Der Auftrieb wurde mit der mesoskaligen Wärmeflussdivergenz assoziiert, und diese Wärmeflussdivergenz wurde mit dem entsprechendem Gegenstück der latenten Wärme in Zusammenhang gebracht. Die entsprechende mesoskalige Kondensationsrate wird durch die kleinskalige Kumulusfeuchteflussdivergenz und dem MCS selbst beigesteuert. Ein Umkehrprozess tritt am abwärts gerichteten Zweig der Zirkulation mit Verdunstung auf. Als Resultat wird die gesamte Zirkulation verstärkt. Ein numerisches Experiment mit dem „Weather Research and Forecasting Model“ (WRF) wurde benutzt um die oben genannte Hypothese zu verifizieren. Dazu wurde ein Starkregenereignis am 13. Juni 2008 über Südostchina simuliert. Die Modellergebnisse der Ausgangsdomäne und zweier genesteter Domänen wurden mit Auflösungen entsprechend der großen, mitteleren und kleinen Skala verwendet. Um die Signifikanz der Terme in den vereinfachten Gleichungen zu untersuchen, wurden die einzelnen Größen der Jets, MCS und Cumulus berechnet und die Terme der grundlegenden Wechselwirkungen bestimmt. Insgesamt sind die Analyseergebnisse konsistent mit dem vorgeschlagenen Mechanismus. Es wurde eine ageostrophische Zirkulation zwischen dem LLJ und dem ULJ gefunden. Der Aufstieg wurde durch die mesoskalige Latente-Wärme-Flussdivergenz beschleunigt und damit die Zirkulation verstärkt. Diese mesoskalige Latente-Wärme-Flussdivergenz wurde durch Kondensation auf den entsprechenden Skalen erreicht. Cumulusfeuchte kondensierte tendenziell auf der Mesoskala und führte somit zur Akkumulation der kleinskaligen latenten Wärme auf der Mesoskala. Die Cumuluswärme, die auf der Mesoskalen vertikal transportiert wurde, war für die mesoskalige Wärmeflussdivergenz nicht signifikant. Zusammengefasst ist das HRS ein Zusammenschluss von Untersystemen mit globaler bis mikroskopischer Skala. In den Sommermonaten wandert der ULJ südwärts bis zur Auslaufregion des LLJ. Wenn die Auslaufregionen beider Jets nahe beieinander liegen, wird die Zirkulation, die mit der Ageostrophie der Jets zusammenhängt, angeregt. Impuls zwischen den Jets wird auf der Mesoskala transportiert und der LLJ wird in seinem Einzugs- (Auslauf-) Gebiet verstärkt (geschwächt). Die assoziierte aufsteigende Bewegung wird durch die mesoskalige Wärmeflussdivergenz oberhalb des LLJ-Niveaus angeregt, wo sich das MCS und der Starkregen befinden. Horizontaler Transport großskaliger Feuchte wird durch den LLJ realisiert. Vertikaler Transport tritt hauptsächlich auf kleinen Cumulusskalen unterhalb des Jet-Niveaus und auf Mesoskalen oberhalb des Jets auf. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Tsui, Chi Yan tcychiyan@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-59544
Date:	27 January 2015
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute for Geophysics and Meteorology
Subjects:	Natural sciences and mathematics Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Mesoscale English Rainfall system English Multiscale analysis UNSPECIFIED
Date of oral exam:	17 October 2014
Referee:	Name Academic Title Yaping, Shao Prof. Dr. Roel, Neggers Prof. Dr.
Funders:	Deutscher Akademischer Austausch Dienst (DAAD)
References:	Akiyama, T., 1973: Ageostrophic Low-Level Jet Stream in the Baiu Season Associated with Heavy Rainfalls over the Sea Area. J. Meteorol. Soc. Jpn., 51, 205 – 208 Anthes, R. A., 1977: A Cumulus Parameterization Scheme Utilizing a One-Dimensional Cloud Model. Mon. Wea. Rev., 105, 270 – 286 Arakawa, A., and W. H. Schubert, 1974: Interaction of a cumulus cloud ensemble with the large-scale environment, Part 1. J. Atmos. Sci., 31, 674 – 701 , 2004: Review Article. The Cumulus Parameterization Problem: Past, Present and Future. J. Climate, 17, 2493 – 2525 Atkinson, B.W., 1981: Mesoscale Atmospheric Circulations. Academic Press. p.3 – 12 Augustine, J. A., K. W. Howard, 1991: Mesoscale Convective Complexs over the United States during 1986 and 1987. Mon. Wea. Rev., 119, 1575 – 1589 Biggerstaff, M. I., and R. A. Houze, Jr., 1991 Kinematic and Precipitation Structure of the 10-11 June 1985 Squall Line. Mon. Wea. Rev., 119, 3034 – 3065 Blackmon, M. 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Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5954