Universität zu Köln

Redl, Robert (2016). Convective Cold Pools over the Atlas Mountains and Their Influence on the Saharan Heat Low. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The West African Monsoon (WAM) and its representation in numerical models are strongly influenced by the Saharan Heat Low (SHL), a low-pressure system driven by radiative heating over the central Sahara and ventilated by the cold and moist inflow from adjacent oceans. It has recently been shown that a significant part of the southerly moisture flux into the SHL originates from convective cold pools over the Sahel. These density currents driven by evaporation of rain are largely absent in models with parameterized convection. This crucial issue has been hypothesized to contribute to the inability of many climate models to reproduce the variability of the WAM. Here, the role of convective cold pools approaching the SHL from the Atlas Mountains, which are a strong orographic trigger for deep convection in Northwest Africa, is analyzed. Knowledge about the frequency of these events, as well as their impact on large-scale dynamics, is required to understand their contribution to the variability of the SHL and to known model uncertainties. The first aspect is addressed through the development of an objective and automated method for the generation of multi-year climatologies not available before. The algorithm combines freely available standard surface observations with satellite microwave data. Representativeness of stations and influence of their spatial density are addressed by comparison to a satellite-only climatology. Applying this algorithm to data from automated weather stations and manned synoptic stations in and south of the Atlas Mountains reveals the frequent occurrence. On the order of 6 events per month are detected from May to September when the SHL is in its northernmost position. The events tend to cluster into several-days long convectively active periods, often with strong events on consecutive days. This study is the first to diagnose dynamical impacts of such periods on the SHL, based on simulations of two example cases using the Weather Research and Forecast (WRF) model at convection-permitting resolution. Sensitivity experiments with artificially removed cold pools as well as different resolutions and parameterizations are conducted. Results indicate increases in surface pressure of more than 1 hPa and significant moisture transports into the desert over several days. This moisture affects radiative heating and thus the energy balance of the SHL. Even though cold pool events north of the SHL are less frequent when compared to their Sahelian counterparts, it is shown that they gain importance due to their temporal clustering on synoptic timescale. Together with studies focusing on the Sahel, this work emphasizes the need for improved parameterization schemes for deep convection in order to produce more reliable climate projections for the WAM.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Der westafrikanische Monsun (WAM) und seine Darstellung in numerischen Modellen ist stark beeinflusst vom Hitzetief über der zentralen Sahara (engl.: Saharan Heat Low, SHL). Dieses Tiefdruckgebiet entsteht durch starke Einstrahlung, ein Druckausgleich erfolgt durch den Zustrom kalter und feuchter Luft von den angrenzenden Ozeanen. Es konnte unlängst gezeigt werden, dass ein wesentlicher Anteil der von Süden in das Hitzetief transportierten Feuchte im Zusammenhang steht mit Dichteströmungen aus Konvektion in der Sahelzone. Diese Dichteströmungen werden durch das Verdunsten von Regen erzeugt und sind in Modellen mit parametrisierter Konvektion nur unzureichend repräsentiert. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass es sich hierbei um einen entscheidenden Beitrag zu Unzulänglichkeiten bei der Wiedergabe des WAM handelt. Die Rolle der konvektiven Dichteströmungen wird hier untersucht für Ereignisse mit Ursprung über dem Atlasgebirge, einem starken orographischen Auslöser für hochreichende Konvektion in Nord-West-Afrika. Um den Beitrag dieser Ereignisse zur Variabilität und zu bekannten Unsicherheiten in Modellen zu verstehen, ist sowohl die Kenntnis ihrer Häufigkeit als auch ihrer Auswirkung auf die großskalige Dynamik erforderlich. Der Aspekt der Häufigkeit wird durch die Entwicklung einer objektiven und automatisierten Methode zur Erstellung mehrjähriger Klimatologien untersucht. Der Algorithmus kombiniert standardmäßig durchgeführte Bodenbeobachtungen mit Satellitenmessungen im Mikrowellenbereich, beides ist frei verfügbar. Die Repräsentativität der Stationen und der Einfluss ihrer räumlichen Verteilung werden durch Vergleich mit einer nur aus Satellitendaten erstellten Klimatologie untersucht. Durch Anwendung des Algorithmus auf Daten automatischer Wetterstationen und bemannter synoptischer Stationen im und südlich des Atlasgebirges wird das häufige Auftreten von Dichteströmungsereignissen in dieser Region gezeigt. Etwa sechs Ereignisse pro Monat werden von Mai bis September detektiert, das Hitzetief ist zu dieser Zeit in seiner nördlichsten Position. Die Ereignisse tendieren zu einer Gruppierung in konvektiv aktive Perioden, die sich über mehrere Tage erstrecken, häufig mit zwei starken Ereignissen an aufeinander folgenden Tagen. Der Aspekt der dynamischen Auswirkungen auf das Hitzetief durch solche konvektiven Perioden wird in dieser Studie zum ersten Mal analysiert. Die Grundlage dafür bilden Simulationen zweier Beispielfälle mit dem Wetterforschungs- und Vorhersage-Modell WRF (engl.: Weather Research and Forecast) bei konvektionserlaubender Auflösung. Es werden Sensitivitätsexperimente durchgeführt mit künstlich entfernten Dichteströmungen, geringeren Auflösungen und Parametrisierungen für Konvektion. Die Resultate zeigen, dass Dichteströmungen über mehrere Tage hinweg zu einem Anstieg des Bodendrucks von mehr als 1 hPa und zu einem signifikanten Transport von Feuchte in die Wüste führen. Diese Feuchte hat Einfluss auf die strahlungsbedingte Erwärmung und somit auch auf die Energiebilanz im Hitzetief. Obwohl Dichteströmungsereignisse nördlich des Hitzetiefs verglichen mit der Sahelzone weniger häufig auftreten, gewinnen sie trotzdem an Bedeutung durch ihr gruppiertes Auftreten auf der synoptischen Zeitskala. Zusammen mit auf die Sahelzone fokussierten Studien hebt diese Arbeit die Notwendigkeit verbesserter Parametrisierung für Konvektion hervor. Ohne Fortschritte in diesem Bereich können keine verlässlichen Klimaprojektionen für den WAM erstellt werden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Redl, Robert robert.redl@lmu.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-67369
Date:	17 May 2016
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:	Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Convective cold pool English Saharan heat low English West African Monsoon English Weather Research and Forecast (WRF) model English
Date of oral exam:	25 January 2016
Referee:	Name Academic Title Fink, Andreas H. Prof. Dr. Crewell, Susanne Prof. Dr. Knippertz, Peter Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6736