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The increase of spatial data resolution for the detection of the initiation of convection. A case study from CSIP

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Abstract:

The 'Convective Storm Initiation Project' (CSIP) took place in summer 2005 in the maritime climate in the South of England, to study why convection breaks out precisely where and when it does. Despite the dense radiosonde network deployed during the CSIP campaign, aircraft measurements demonstrated that the high spatial variability of the temperature and especially of the water vapour field based on radiosonde data alone was not well resolved with respect to the detection of the initiation of convection. This investigation focuses on the impact of an increased resolution of thermodynamic and dynamic variables of the planetary boundary-layer on the detection of the initiation of convection. The enhanced spatial resolution was obtained using the synergetic effect of the combined use of data from the radiosonde network, automatic weather stations, synoptic stations, and especially from GPS stations. This data set was used to calculate convection-related parameters, which quantify the atmospheric stability, convection inhibition and triggering of convection. The gained spatial resolution and the combination of convection-related indices successfully revealed the areas where the probability for deep convection was high on 29 June, 2005 (IOP5). Location and timing of the initiation of convection were critically influenced by the structure of the humidity field in the boundary-layer. On the one hand the initiation of convection was better detected by lifting a near-surface parcel to calculate the convection indices whereas on the other hand the subsequent development into deep convective cells was better represented using a mixed-layer parcel for lifting. The altitude, strength and persistence of stable layers were observed to be important for the initiation of convection. When initiation took place, very low convective inhibition (CIN) of <15 J kg was observed in the whole investigation area. Additionally, the role of boundary-layer convergence was decisive even in this low CIN environment. Moreover, convergence and CIN influenced the triggering of storms more than convective available potential energy (CAPE). However, the storm intensification was dominated by CAPE and high mid-tropospheric moisture.

German
Im Sommer 2005 wurden im Rahmen des "Convective Storm Initiation Project" (CSIP) in Südengland Messungen zur Untersuchung der Entstehung hochreichender Konvektion durchgeführt. Trotz eines für CSIP verdichteten Radiosondenmessnetzes zeigten Vergleiche mit zusätzlichen Flugzeugmessungen, dass die aus den Radiosondendaten interpolierten Temperatur- und Feuchtefelder keine ausreichende Auflösung besitzen, um die Auslösung von Konvektion zeitlich und räumlich genau zu detektieren. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie sich eine erhöhte räumliche Auflösung der thermodynamischen und dynamischen Variablen in der atmosphärischen Grenzschicht auf die Detektion der Auslösung von Konvektion auswirkt. Die höhere räumliche Auflösung wurde durch die optimale Kopplung der Daten von Radiosonden, automatischen Wetterstationen, Synopstationen und GPS-Stationen erreicht. Der so entstandene Datensatz wurde verwendet, um konvektionsrelevante Parameter wie CAPE, CIN, CAP und LI zu bestimmen. Durch Kombination dieser Parameter konnte so für den 29. Juni 2005 (IOP5) das Gebiet identifiziert werden, in dem eine hohe Wahrscheinlichkeit für die Entstehung von hochreichender Konvektion bestand. Es zeigte sich, dass der Ort und die Zeit der Konvekti-onsauslösung stark von der Feuchteverteilung in der Grenzschicht abhängen. Einerseits stimmte die für Konvektionsauslösung identifizierte Region mit Beobachtungen dann besser überein, wenn die Konvektionsindizes mit Hilfe eines Luftpakets berechnet wur-den, das aus der bodennahen Luftschicht gehoben wurde. Andererseits erwies sich die weitere Entwicklung der Konvektionszellen besser vorhersagbar, wenn das Luftpaket mit charakteristischen Grenzschichteigenschaften (untersten 50 hPa) gehoben wurde. Die Höhe, Stärke und Dauer von abgehobenen Inversionen hat sich als sehr wichtig für die Entstehung von Konvektion erwiesen. Wenn Konvektion ausgelöst wurde, lag eine sehr niedrige CIN von <15 J kg−1 im gesamten Untersuchungsgebiet vor. Zusätzlich zur niedrigen CIN war Grenzschichtkonvergenz zur Auslösung von Konvektion von großer Bedeutung. Insgesamt hat sich gezeigt, dass Grenzschichtkonvergenz und eine niedrige CIN entscheidender für die Auslösung von Konvektion sind, als eine hohe CAPE. Die Intensivierung der Konvektion dagegen hängt im Wesentlichen davon ab, ob genügend CAPE und Feuchte in der mittleren Troposphäre vorhanden sind.

Document Type: Research Article

DOI: http://dx.doi.org/10.1127/0941-2948/2010/0439

Publication date: April 1, 2010

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