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Cloud-shadow effects on the structure of the convective boundary layer

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The influence of shadow from a broken cloud layer at top of a convective boundary layer (CBL) on the turbulent flow structure in the layer is investigated. The study addresses fair weather shallow convection over dry land surfaces as exemplified by a high-resolution satellite observation. A three-dimensional Monte-Carlo radiative transfer calculation reveals the strong reduction of net solar flux in the shadow of such clouds with some enhancement between the clouds. The turbulent convection is studied using a simple conceptional model and a large eddy simulation. The models assume total shadow below clouds, instantaneous response of the vertical heat flux to shadow, and the kinematic association of clouds with updrafts in the upper CBL. The study shows that the convective motion is necessarily nonsteady in case of vertical shadow. With shadow the convective turbulent motions are of smaller scales compared to the reference case without shadow. Any asymmetry due to shadow for non-zero solar zenith angle has only very small impact on the turbulent motion field.

Zusammenfassung Der Einfluss von Schatten einer durchbrochenen Bewo¨lkung am Oberrand der konvektiven Grenzschicht auf die Struktur der Turbulenz in der Grenzschicht wird untersucht. Die Studie befasst sich mit der Konvektion bei Scho¨nwetter u¨ber trockenen Landoberfla¨chen wie beispielsweise in einem hochauflo¨senden Satellitenbild sichtbar. Eine drei-dimensionale Monte-Carlo Strahlungstransportrechnung zeigt die erwartete starke Reduktion des solaren Netto-Strahlungsflusses im Schatten und eine Zunahme der Strahlung zwischen den Wolken. Die turbulente Konvektion wird mit einem einfachen konzeptionellen Model und einer Grobstruktursimulation untersucht. Das Modell unterstellt totalen Schatten unterhalb der Wolken, sofortige Reaktion des vertikalen Wa¨rmestroms auf Schatten und die unmittelbare Bildung von Wolken im oberen Teil der Aufwinde der konvektiven Grenzschicht. Es zeigt sich, dass die Konvektion bei vertikalem Schatten nicht stationa¨r sein kann. Mit Schatten ist die konvektive Turbulenz kleinskaliger im Vergleich zum Referenzfall ohne Schatten. Unsymmetrien infolge Schattens bei schra¨gstehender Sonne haben nur einen sehr kleinen Einfluss auf das turbulente Bewegungsfeld.
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Document Type: Research Article

Publication date: 01 July 2002

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