Polarimetric X-band weather radar measurements in the tropics: radome and rain attenuation correction

A polarimetric X-band radar has been deployed during one month (April 2011) for a field campaign in Fortaleza, Brazil, together with three additional laser disdrometers. The disdrometers are capable of measuring the raindrop size distributions (DSDs), hence making it possible to forward-model theoretical polarimetric X-band radar observables at the point where the instruments are located. This setup allows to thoroughly test the accuracy of the X-band radar measurements as well as the algorithms that are used to correct the radar data for radome and rain attenuation. For the campaign in Fortaleza it was found that radome attenuation dominantly affects the measurements. With an algorithm that is based on the self-consistency of the polarimetric observables, the radome induced reflectivity offset was estimated. Offset corrected measurements were then further corrected for rain attenuation with two different schemes. The performance of the post-processing steps was analyzed by comparing the data with disdrometer-inferred polarimetric variables that were measured at a distance of 20 km from the radar. Radome attenuation reached values up to 14 dB which was found to be consistent with an empirical radome attenuation vs. rain intensity relation that was previously developed for the same radar type. In contrast to previous work, our results suggest that radome attenuation should be estimated individually for every view direction of the radar in order to obtain homogenous reflectivity fields.

Fluxes of CO2 above a sugarcane plantation in Brazil

Fluxes of CO2 were measured above a sugarcane plantation using the eddy-covariance method covering two growth cycles, representing the second and third re-growth (ratoons) harvested with stubble burning. The total net ecosystem exchange (NEE) in the first cycle (second ratoon, 393 days long) was −1964 ± 44 g C m−2; the gross ecosystem productivity (GEP) was 3612 ± 46 g C m−2 and the ecosystem respiration (RE) was 1648 ± 14 g C m−2. The NEE and GEP totals in the second cycle (third ratoon, 374 days long) decreased 51% and 25%, respectively and RE increased 7%. Accounting for the carbon emitted during biomass burning and the removal of stalks at harvest, net ecosystem carbon balance (NECB) totals were 102 ± 130 g C m−2 and 403 ± 84 g C m−2 in each cycle respectively. Thus the sugarcane agrosystem was approximately carbon neutral in the second ratoon. Yield in stalks fresh weight (SFW) attained the regional average (8.3 kg SFW m−2). Although it was a carbon source to the atmosphere, observed productivity (6.2 kg SFW m−2) of the third ratoon was 19% lower than the regional average due to the lower water availability observed during the initial 120 days of re-growth. However, the overall water use efficiency (WUE) achieved in the first cycle (4.3 g C kg−1 H2O) decreased only 5% in the second cycle. © 2013 Elsevier B.V. All rights reserved

Surface ecophysiological behavior across vegetation and moisture gradients in tropical South America

Surface ecophysiology at five sites in tropical South America across vegetation and moisture gradients is investigated. From the moist northwest (Manaus) to the relatively dry southeast (Pé de Gigante, state of São Paulo) simulated seasonal cycles of latent and sensible heat, and carbon flux produced with the Simple Biosphere Model (SiB3) are confronted with observational data. In the northwest, abundant moisture is available, suggesting that the ecosystem is light-limited. In these wettest regions, Bowen ratio is consistently low, with little or no annual cycle. Carbon flux shows little or no annual cycle as well; efflux and uptake are determined by high-frequency variability in light and moisture availability. Moving downgradient in annual precipitation amount, dry season length is more clearly defined. In these regions, a dry season sink of carbon is observed and simulated. This sink is the result of the combination of increased photosynthetic production due to higher light levels, and decreased respiratory efflux due to soil drying. The differential response time of photosynthetic and respiratory processes produce observed annual cycles of net carbon flux. In drier regions, moisture and carbon fluxes are in-phase; there is carbon uptake during seasonal rains and efflux during the dry season. At the driest site, there is also a large annual cycle in latent and sensible heat flux.

Mesoscale dynamics and boundary-layer structure in topographically forced low-level jets

Two types of mesoscale wind-speed jet and their effects on boundary-layer structure were studied. The first is a coastal jet off the northern California coast, and the second is a katabatic jet over Vatnajökull, Iceland. Coastal regions are highly populated, and studies of coastal meteorology are of general interest for environmental protection, fishing industry, and for air and sea transportation. Not so many people live in direct contact with glaciers but properties of katabatic flows are important for understanding glacier response to climatic changes. Hence, the two jets can potentially influence a vast number of people. Flow response to terrain forcing, transient behavior in time and space, and adherence to simplified theoretical models were examined. The turbulence structure in these stably stratified boundary layers was also investigated. Numerical modeling is the main tool in this thesis; observations are used primarily to ensure a realistic model behavior. Simple shallow-water theory provides a useful framework for analyzing high-velocity flows along mountainous coastlines, but for an unexpected reason. Waves are trapped in the inversion by the curvature of the wind-speed profile, rather than by an infinite stability in the inversion separating two neutral layers, as assumed in the theory. In the absence of blocking terrain, observations of steady-state supercritical flows are not likely, due to the diurnal variation of flow criticality. In many simplified models, non-local processes are neglected. In the flows studied here, we showed that this is not always a valid approximation. Discrepancies between simulated katabatic flow and that predicted by an analytical model are hypothesized to be due to non-local effects, such as surface inhomogeneity and slope geometry, neglected in the theory. On a different scale, a reason for variations in the shape of local similarity scaling functions between studies is suggested to be differences in non-local contributions to the velocity variance budgets.

Dynamical aspects of atmospheric data assimilation in the tropics

A faithful depiction of the tropical atmosphere requires three-dimensional sets of observations. Despite the increasing amount of observations presently available, these will hardly ever encompass the entire atmosphere and, in addition, observations have errors. Additional (background) information will always be required to complete the picture. Valuable added information comes from the physical laws governing the flow, usually mediated via a numerical weather prediction (NWP) model. These models are, however, never going to be error-free, why a reliable estimate of their errors poses a real challenge since the whole truth will never be within our grasp. The present thesis addresses the question of improving the analysis procedures for NWP in the tropics. Improvements are sought by addressing the following issues: - the efficiency of the internal model adjustment, - the potential of the reliable background-error information, as compared to observations, - the impact of a new, space-borne line-of-sight wind measurements, and - the usefulness of multivariate relationships for data assimilation in the tropics. Most NWP assimilation schemes are effectively univariate near the equator. In this thesis, a multivariate formulation of the variational data assimilation in the tropics has been developed. The proposed background-error model supports the mass-wind coupling based on convectively-coupled equatorial waves. The resulting assimilation model produces balanced analysis increments and hereby increases the efficiency of all types of observations. Idealized adjustment and multivariate analysis experiments highlight the importance of direct wind measurements in the tropics. In particular, the presented results confirm the superiority of wind observations compared to mass data, in spite of the exact multivariate relationships available from the background information. The internal model adjustment is also more efficient for wind observations than for mass data. In accordance with these findings, new satellite wind observations are expected to contribute towards the improvement of NWP and climate modeling in the tropics. Although incomplete, the new wind-field information has the potential to reduce uncertainties in the tropical dynamical fields, if used together with the existing satellite mass-field measurements. The results obtained by applying the new background-error representation to the tropical short-range forecast errors of a state-of-art NWP model suggest that achieving useful tropical multivariate relationships may be feasible within an operational NWP environment.

The FG 2015 kinship verification in the wild evaluation

[ES]The aim of the Kinship Verification in the Wild Evaluation (held in conjunction with the 2015 IEEE International Conference on Automatic Face and Gesture Recognition, Ljubljana, Slovenia) was to evaluate different kinship verification algorithms. For this task, two datasets were made available and three possible experimental protocols (unsupervised, image-restricted, and image-unrestricted) were designed. Five institutions submitted their results to the evaluation: (i) Politecnico di Torino, Italy; (ii) LIRIS-University of Lyon, France; (iii) Universidad de Las Palmas de Gran Canaria, Spain; (iv) Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, China; and (v) Bar Ilan University, Israel. Most of the participants tackled the image-restricted challenge and experimental results demonstrated better kinship verification performance than the baseline methods provided by the organizers.

Calibration and validation of an air quality finite element model around an electric power plant in Gran Canaria island

[EN]This work presents the calibration and validation of an air quality finite element model applied to the surroundings of Jinamar electric power plant in Gran Canaria island (Spain). The model involves the generation of an adaptive tetrahedral mesh, the computation of an ambient wind field, the inclusion of the plume rise effect in the wind field, and the simulation of transport and reaction of pollutants. The main advantage of the model is the treatment of complex terrains that introduces an alternative to the standard implementation of current models. In addition, it improves the computational cost through the use of unstructured meshes...

Numerical simulations of microphysical processes in pyro-convective clouds

Hochreichende Konvektion über Waldbränden ist eine der intensivsten Formen von atmosphärischer Konvektion. Die extreme Wolkendynamik mit hohen vertikalen Windgeschwindigkeiten (bis 20 m/s) bereits an der Wolkenbasis, hohen Wasserdampfübersättigungen (bis 1%) und die durch das Feuer hohen Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln (bis 100000 cm^-3) bilden einen besonderen Rahmen für Aerosol-Wolken Wechselwirkungen.Ein entscheidender Schritt in der mikrophysikalischen Entwicklung einer konvektiven Wolke ist die Aktivierung von Aerosolpartikeln zu Wolkentropfen. Dieser Aktivierungsprozess bestimmt die anfängliche Anzahl und Größe der Wolkentropfen und kann daher die Entwicklung einer konvektiven Wolke und deren Niederschlagsbildung beeinflussen. Die wichtigsten Faktoren, welche die anfängliche Anzahl und Größe der Wolkentropfen bestimmen, sind die Größe und Hygroskopizität der an der Wolkenbasis verfügbaren Aerosolpartikel sowie die vertikale Windgeschwindigkeit. Um den Einfluss dieser Faktoren unter pyro-konvektiven Bedingungen zu untersuchen, wurden numerische Simulationen mit Hilfe eines Wolkenpaketmodells mit detaillierter spektraler Beschreibung der Wolkenmikrophysik durchgeführt. Diese Ergebnisse können in drei unterschiedliche Bereiche abhängig vom Verhältnis zwischen vertikaler Windgeschwindigkeit und Aerosolanzahlkonzentration (w/NCN) eingeteilt werden: (1) ein durch die Aerosolkonzentration limitierter Bereich (hohes w/NCN), (2) ein durch die vertikale Windgeschwindigkeit limitierter Bereich (niedriges w/NCN) und (3) ein Übergangsbereich (mittleres w/NCN). Die Ergebnisse zeigen, dass die Variabilität der anfänglichen Anzahlkonzentration der Wolkentropfen in (pyro-) konvektiven Wolken hauptsächlich durch die Variabilität der vertikalen Windgeschwindigkeit und der Aerosolkonzentration bestimmt wird. rnUm die mikrophysikalischen Prozesse innerhalb der rauchigen Aufwindregion einer pyrokonvektiven Wolke mit einer detaillierten spektralen Mikrophysik zu untersuchen, wurde das Paketmodel entlang einer Trajektorie innerhalb der Aufwindregion initialisiert. Diese Trajektore wurde durch dreidimensionale Simulationen eines pyro-konvektiven Ereignisses durch das Model ATHAM berechnet. Es zeigt sich, dass die Anzahlkonzentration der Wolkentropfen mit steigender Aerosolkonzentration ansteigt. Auf der anderen Seite verringert sich die Größe der Wolkentropfen mit steigender Aerosolkonzentration. Die Reduzierung der Verbreiterung des Tropfenspektrums stimmt mit den Ergebnissen aus Messungen überein und unterstützt das Konzept der Unterdrückung von Niederschlag in stark verschmutzen Wolken.Mit Hilfe des Models ATHAM wurden die dynamischen und mikrophysikalischen Prozesse von pyro-konvektiven Wolken, aufbauend auf einer realistischen Parametrisierung der Aktivierung von Aerosolpartikeln durch die Ergebnisse der Aktivierungsstudie, mit zwei- und dreidimensionalen Simulationen untersucht. Ein modernes zweimomenten mikrophysikalisches Schema wurde in ATHAM implementiert, um den Einfluss der Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln auf die Entwicklung von idealisierten pyro-konvektiven Wolken in US Standardamtosphären für die mittleren Breiten und den Tropen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anzahlkonzentration der Aerosolpartikel die Bildung von Regen beeinflusst. Für geringe Aerosolkonzentrationen findet die rasche Regenbildung hauptsächlich durch warme mikrophysikalische Prozesse statt. Für höhere Aerosolkonzentrationen ist die Eisphase wichtiger für die Bildung von Regen. Dies führt zu einem verspäteten Einsetzen von Niederschlag für verunreinigtere Atmosphären. Außerdem wird gezeigt, dass die Zusammensetzung der Eisnukleationspartikel (IN) einen starken Einfluss auf die dynamische und mikrophysikalische Struktur solcher Wolken hat. Bei sehr effizienten IN bildet sich Regen früher. Die Untersuchung zum Einfluss des atmosphärischen Hintergrundprofils zeigt eine geringe Auswirkung der Meteorologie auf die Sensitivität der pyro-konvektiven Wolken auf diernAerosolkonzentration. Zum Abschluss wird gezeigt, dass die durch das Feuer emittierte Hitze einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung und die Wolkenobergrenze von pyro-konvektive Wolken hat. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass in dieser Dissertation die Mikrophysik von pyrokonvektiven Wolken mit Hilfe von idealisierten Simulation eines Wolkenpaketmodell mit detaillierte spektraler Mikrophysik und eines 3D Modells mit einem zweimomenten Schema im Detail untersucht wurde. Es wird gezeigt, dass die extremen Bedingungen im Bezug auf die vertikale Windgeschwindigkeiten und Aerosolkonzentrationen einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung von pyro-konvektiven Wolken haben.

Stabilität und Transport in der planetaren Grenzschicht - Untersuchungen mit Radiosonden- und Spurengasmessungen während PARADE

Die vorliegende Arbeit untersucht die Struktur und Zusammensetzung der untersten Atmosphäre im Rahmen der PARADE-Messkampagne (PArticles and RAdicals: Diel observations of the impact of urban and biogenic Emissions) am Kleinen Feldberg in Deutschland im Spätsommer 2011. Dazu werden Messungen von meteorologischen Grundgrößen (Temperatur, Feuchte, Druck, Windgeschwindigkeit und -richtung) zusammen mit Radiosonden und flugzeuggetragenen Messungen von Spurengasen (Kohlenstoffmonoxid, -dioxid, Ozon und Partikelanzahlkonzentrationen) ausgewertet. Ziel ist es, mit diesen Daten, die thermodynamischen und dynamischen Eigenschaften und deren Einfluss auf die chemische Luftmassenzusammensetzung in der planetaren Grenzschicht zu bestimmen. Dazu werden die Radiosonden und Flugzeugmessungen mit Lagrangeschen Methoden kombiniert und es wird zwischen rein kinematischen Modellen (LAGRANTO und FLEXTRA) sowie sogenannten Partikeldispersionsmodellen (FLEXPART) unterschieden. Zum ersten Mal wurde im Rahmen dieser Arbeit dabei auch eine Version von FLEXPART-COSMO verwendet, die von den meteorologischen Analysefeldern des Deutschen Wetterdienstes angetrieben werden. Aus verschiedenen bekannten Methoden der Grenzschichthöhenbestimmung mit Radiosondenmessungen wird die Bulk-Richardson-Zahl-Methode als Referenzmethode verwendet, da sie eine etablierte Methode sowohl für Messungen und als auch Modellanalysen darstellt. Mit einer Toleranz von 125 m, kann zu 95 % mit mindestens drei anderen Methoden eine Übereinstimmung zu der ermittelten Grenzschichthöhe festgestellt werden, was die Qualität der Grenzschichthöhe bestätigt. Die Grenzschichthöhe variiert während der Messkampagne zwischen 0 und 2000 m über Grund, wobei eine hohe Grenzschicht nach dem Durchzug von Kaltfronten beobachtet wird, hingegen eine niedrige Grenzschicht unter Hochdruckeinfluss und damit verbundener Subsidenz bei windarmen Bedingungen im Warmsektor. Ein Vergleich zwischen den Grenzschichthöhen aus Radiosonden und aus Modellen (COSMO-DE, COSMO-EU, COSMO-7) zeigt nur geringe Unterschiede um -6 bis +12% während der Kampagne am Kleinen Feldberg. Es kann allerdings gezeigt werden, dass in größeren Simulationsgebieten systematische Unterschiede zwischen den Modellen (COSMO-7 und COSMO-EU) auftreten. Im Rahmen dieser Arbeit wird deutlich, dass die Bodenfeuchte, die in diesen beiden Modellen unterschiedlich initialisiert wird, zu verschiedenen Grenzschichthöhen führt. Die Folge sind systematische Unterschiede in der Luftmassenherkunft und insbesondere der Emissionssensitivität. Des Weiteren kann lokale Mischung zwischen der Grenzschicht und der freien Troposphäre bestimmt werden. Dies zeigt sich in der zeitlichen Änderung der Korrelationen zwischen CO2 und O3 aus den Flugzeugmessungen, und wird im Vergleich mit Rückwärtstrajektorien und Radiosondenprofilen bestärkt. Das Einmischen der Luftmassen in die Grenzschicht beeinflusst dabei die chemische Zusammensetzung in der Vertikalen und wahrscheinlich auch am Boden. Diese experimentelle Studie bestätigt die Relevanz der Einmischungsprozesse aus der freien Troposphäre und die Verwendbarkeit der Korrelationsmethode, um Austausch- und Einmischungsprozesse an dieser Grenzfläche zu bestimmen.

Atlantic hurricanes and associated insurance loss potentials in future climate scenarios: limitations of high-resolution AGCM simulations

Potential future changes in tropical cyclone (TC) characteristics are among the more serious regional threats of global climate change. Therefore, a better understanding of how anthropogenic climate change may affect TCs and how these changes translate in socio-economic impacts is required. Here, we apply a TC detection and tracking method that was developed for ERA-40 data to time-slice experiments of two atmospheric general circulation models, namely the fifth version of the European Centre model of Hamburg model (MPI, Hamburg, Germany, T213) and the Japan Meteorological Agency/ Meteorological research Institute model (MRI, Tsukuba city, Japan, TL959). For each model, two climate simulations are available: a control simulation for present-day conditions to evaluate the model against observations, and a scenario simulation to assess future changes. The evaluation of the control simulations shows that the number of intense storms is underestimated due to the model resolution. To overcome this deficiency, simulated cyclone intensities are scaled to the best track data leading to a better representation of the TC intensities. Both models project an increased number of major hurricanes and modified trajectories in their scenario simulations. These changes have an effect on the projected loss potentials. However, these state-of-the-art models still yield contradicting results, and therefore they are not yet suitable to provide robust estimates of losses due to uncertainties in simulated hurricane intensity, location and frequency.