Original paper

Soil moisture impacts on convective indices and precipitation over complex terrain

Barthlott, Christian; Hauck, Christian; Schädler, Gerd; Kalthoff, Norbert; Kottmeier, Christoph

Meteorologische Zeitschrift Vol. 20 No. 2 (2011), p. 185 - 197

published: Apr 1, 2011

DOI: 10.1127/0941-2948/2011/0216

BibTeX file

ArtNo. ESP025012002010, Price: 29.00 €

Download preview PDF Buy as PDF

Abstract

The impact of soil moisture on convective precipitation, convective indices, surface energy balance components, and near-surface meteorological variables is analysed for seven intensive observation periods of the Convective and Orographically induced Precipitation Study (COPS) conducted in summer 2007 using a non-hydrostatic limited-area atmospheric prediction model. The control runs are compared to sensitivity experiments under dry (-25 %) and wet (+25 %) initial soil moisture conditions. In the wet experiment, surface fluxes produce moister and cooler boundary layers with increased equivalent potential temperatures. Furthermore, the lifting condensation level and the level of free convection are lowered for all analysed regions, even under different synoptic controls. The comparison of boundary-layer and mid-tropospheric forcing regimes reveal that the impact of soil moisture on the atmosphere is not systematically higher for boundary-layer forcing. Whereas the Bowen ratio exhibits a clear dependence on soil moisture conditions, the impact on precipitation is complex and strongly depends on convective inhibition. A considerable, but non-systematic dependence of convective precipitation on soil moisture exists in the analysed complex orography. The results demonstrate the high sensitivity of numerical weather prediction to initial soil moisture fields.

Kurzfassung

Der Einfluss von Bodenfeuchte auf konvektiven Niederschlag, Konvektionsindices, Energiebilanzkomponenten und bodennahe meteorologische Variablen wird für sieben Intensivmesstage von COPS (Convective and Orographically induced Precipitation Study, Sommer 2007) mit einem nicht-hydrostatischen atmosphärischen Vorhersagemodell untersucht. Sensitivitätsstudien mit trockenerem (-25 %) und feuchterem (+25 %) Boden im Vergleich zum Referenzlauf zeigen bei erhöhter Bodenfeuchte küuhlere Temperaturen und eine erhöohte Feuchte in der atmosphärischen Grenzschicht mit einer erhöhten pseudopotentiellen Temperatur in Bodennähe. Das Hebungskondensationsniveau und das Niveau der freien Konvektion liegen in allen betrachteten Teilregionen auch bei unterschiedlichen synoptischen Lagen tiefer als im Referenzlauf. Des Weiteren zeigt sich, dass der Einfluss der Bodenfeuchte auf die Atmosphäre an Tagen mit schwachem synoptischem Antrieb nicht systematisch stärker ist als an Tagen mit starkem großskaligem Antrieb. Während für das Bowen-Verhältnis eine eindeutige Abhängigkeit von der Bodenfeuchte vorliegt, ist der Einfluss auf den konvektiven Niederschlag komplex und stark von der CIN (Konvektionsunterdrückung) beeinflusst. Für die hier analysierte Mittelgebirgsregion wird eine deutliche, aber nicht-systematische Abha¨ngigkeit des simulierten Niederschlags von der Bodenfeuchte gefunden und damit die große Sensitivität der Modellergebnisse von den Bodenfeuchtefeldern aufgezeigt.