Characterizing the convective boundary layer with wind-profiling and scanning Doppler lidar

Abstract

Konveksjon har stor innvirkning på strukturen og utviklingen av det atmosfæriske grenselaget. Det er imidlertid utfordrende å måle de karakteristiske lengde- og tidsskalaene ved hjelp av konvensjonelle meteorologiske metoder. Derfor er konveksjon fortsatt ikke godt nok observert. Denne avhandlingen og de tre artiklene som inngår i den, presenterer to metoder for å observere det konvektive strømningsfeltet ved hjelp av forskjellige lidar-baserte målemetoder, både over hav og flatt og komplekst terreng over land. Disse målingene av strømningsfeltet kan brukes til å trekke ut grunnleggende konvektive egenskaper, som for eksempel karakteristiske høyde- og lengdeskalaer, samt vertikale hastigheter. Å kombinere dette med supplerende meteorologiske målinger muliggjør undersøkelsen av samspillet mellom disse egenskapene og andre prosesser i det konvektive grenselaget. I artikkel I identifiserer vi de oppløselige skalaene til turbulente og organiserte virvler i det marine konvektive grenselaget fra vindprofiler tatt med lidar på et skip i bevegelse. Artikkel I evaluerer påvirkningen av skipsbevegelsen og bevegelseskorreksjon på lidarobservasjonenes statistikk og spekter. I tillegg inkluderer avhandlingen en evaluering av bevegelseskorreksjonsalgoritmen på et datasett innhentet under et kontrollert eksperiment med bevegelse. Resultatene fra artikkel I viser at dersom bakgrunnshastigheten er tilstrekkelig kan de konvektive skalaene bli oppløst med en profilerende lidar. Tilsvarende konvektive strukturer under et kaldluftsutbrudd er analysert i artikkel II. Studien anvender spektral koherens- og faseanalyse på det konvektive strømningsfeltet fra lidarobservasjoner for å studere karakteristikkene til koherente strukturer i organisert konveksjon. Utviklingen av strukturstørrelser og hastighet på korte tidsskalaer er følsomme for overflatelagets lagdeling og vindskjær. De største strukturene blir observert under forhold der oppdriftsproduksjonen marginalt overgår skjærsproduksjonen av turbulens. Over lange tidsskalaer bidrar disse storskala strukturene til omvelting og at det marine konvektive grenselaget blir dypere. Artikkel III utforsker muligheten til å bruke to landbaserte lidar systemer i dual-scanning oppsett for å måle konveksjon. Studien introduserer en avansert filtrering og en interpolasjonsmetode i tid som forbedrer lidardataene vesentlig for å måle konveksjon. Observasjonene viser at formen og utviklingen til de konvektive strukturene, samt samspillet mellom disse strukturene og andre prosesser i det atmosfæriske grenselaget, hovedsakelig blir påvirket av variasjoner i lokasjon, f.eks. flatt kontra komplekst terreng, eller innlandet kontra kysten. Avhandlingen følger opp funnene i artikkel III, og presenterer de første resultatene av det konvektive strømningsfeltet funnet ved hjelp av en euleriansk tilnærming ved bruk av dual-scanning lidar og en lagransk tilnærming som tar i bruk glidere for å måle nøkkelparametrer fra konveksjon, slik som hastighet, temperatur og fuktighet. For det presenterte tilfellet utfyller den eulerianske og lagranske tilnærmingen hverandre og gir detaljert informasjon om henholdsvis de nedre og øvre delene av de konvektive strukturene.

Convection strongly impacts the structure and evolution of the atmospheric boundary layer. Yet, the characteristic temporal and spatial scales of the convective circulation are challenging to capture with the conventional meteorological measurement setup and instrumentation. As a consequence, atmospheric convection is still under-sampled. This dissertation and the three included papers introduce two approaches for observing the convective flow field and its evolution, using profiling and dual-scanning lidar techniques above the ocean, and over complex and flat terrain on land. These flow field observations are utilized to extract fundamental convection characteristics, as for example, the horizontal and vertical dimensions, and velocities of the convective updraft and downdraft. In combination with complementing meteorological measurements, this allows the investigation of the interaction of those characteristics with other processes in the convective boundary layer (CBL). The focus of Paper I is on identifying the resolvable range of turbulent and organized eddies in the marine CBL by ship-based profiling lidar observations, that are exposed to ship motion. Paper I evaluates the impact of the ship motion and the applied motion correction on the statistics and spectra of the lidar observations. In addition to this evaluation, the dissertation includes an assessment of the utilized motion correction algorithm applied to data that are acquired during a controlled-motion experiment. The results of Paper I indicate, that convective scales can be resolved with the evaluated profiling lidar setup, given a sufficient horizontal background flow velocity. Corresponding convective structures, under prevailing cold air outbreak conditions, are analysed in Paper II. The study applies spectral coherence and phase analysis to the lidar-observed flow field, extracting characteristics of organized convection, namely coherent structures. The short-term evolution of the structure sizes and velocity amplitudes is sensitive to the surface layer stratification and wind shear. The largest structures are observed for conditions, where the buoyancy production marginally dominates the shear production of turbulence. On the long-term, these large scale structures strongly contribute to the overturning and deepening of the marine CBL. Complementary to the ship-based, profiling lidar approach over the ocean, Paper III explores the capability of land-based, dual-scanning lidars to sample convection. The study introduces an advanced filtering and a temporal interpolation approach, that substantially enhance the lidar data for convection sampling. Here, the shape and evolution, and interaction of the observed convective structures with other boundary-layer processes were mainly impacted by the differences in the evaluated measurement locations, i.e. flat versus complex terrain, and inland versus close vicinity to the sea. The dissertation follows up on the findings of Paper III, presenting first results of the convective flow field retrieval achieved with the Eulerian, dual-scanning lidar approach collocated with a Lagrangian approach using gliders to sample key parameters from inside the convective updraft, i.e. velocity, temperature and humidity. For the presented case, the Eulerian and Lagrangian approaches complement each other, yielding detailed information about the lower and upper part of the convective structure, respectively.