deutscher wetterdienst - gruan · deutscher wetterdienst . gruan-icm10 @ mol-rao, 26.4.2018 . slide...

25
Deutscher Wetterdienst Slide 1 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 ABL Measurements at MOL-RAO Serving Numerical Weather Prediction Frank Beyrich with contributions from C. Becker, B. van Kesteren, J.-P. Leps, E. Päschke, S. H. Richter, U. Rummel, G. Vogel, U. Weisensee et al.

Upload: others

Post on 07-Aug-2020

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 1 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

ABL Measurements at MOL-RAO

Serving Numerical Weather Prediction

Frank Beyrich with contributions from

C. Becker, B. van Kesteren, J.-P. Leps, E. Päschke, S. H. Richter, U. Rummel, G. Vogel, U. Weisensee et al.

Page 2: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 2 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“

1. Introduction

ABL = base of the column

high temporal variability

large horizontal variability

strong vertical gradients

interaction with land surface

Page 3: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 3 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

Bild: http://www.ph.unito.it/

Flow: friction, chanelling, whirls Energy: radiation turbulent transport Water: precipitation, evaporation, run-off Trace Substances: emission, deposition Soil processes: heat / water transfer & storage Vegetation processes: transpiration, gas exchange, assimilation

1. Introduction

Land Surface Processes

Page 4: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 4 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

state parameters of the air (temperature,

humidity, wind, pressure, tke)

process parameters in the air (precipitation, evaporation, momentum and energy fluxes <radiation, sensible heat, latent heat>, tke)

soil state parameters (temperature, water content)

vegetation parameters (LAI, stomatal resistance, surface temperature)

water state and process variables (temperature, waves)

What do We Need to Measure?

2. ABL Measurements at MOL-RAO

… in the soil, at the surface, up to ~ 3 km … … above different surfaces …

Page 5: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 5 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

Air state variables

Radiation

Soil

parameters

Turbulence

Precipitation

Sensors

2. ABL Measurements at MOL-RAO

Page 6: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 6 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

The Falkenberg Boundary Layer Field Site (GM Falkenberg)

Sites (I)

2. ABL Measurements at MOL-RAO

Page 7: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 7 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

Photo: DWD-MOL2 (G. Hollaz, 2003)

Forest station Kehrigk

Photo: DWD-MOL2 (J.-P. Leps, 2003)

Photo: DWD-MOL2 (F. Beyrich, 2003)

Sites (II)

2. ABL Measurements at MOL-RAO

Page 8: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 8 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

Remote sensing/ airborne systems

Complex Measurement Systems (III)

2. ABL Measurements at MOL-RAO

Page 9: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 9 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

Operation Times

2. ABL Measurements at MOL-RAO

Page 10: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 10 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

Co

ntr

ol

Sit

e

Op

era

tio

n

• Site selection and characterization

• Sensor selection and characterization

• Station set-up and validation

• Maintenance regime, (re-)calibrations

• Data transmission and storage (incl. back-up)

• Quicklook / visual data control

• Automatic data control

• Manual data control

• Data base (measured values + quality flag)

• Data user / -analysis feedback

• optional re-calculation / revision of QC and flagging User

QA / QC Measures

2. ABL Measurements at MOL-RAO

Page 11: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 11 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

Redundant Sensor Systems

Quantity Standard Measurement Redundant Determination Realization

air temperature Pt-100 (HMP45) Pt-100 (Frankenberger) Y

air humidity capacitive (HMP45) psychrometer (Frankenberger) Y

wind speed cup anemometer (sonic anemometer) (Y)

wind direction wind vane (sonic anemometer) (Y)

air pressure piezo-resistive - N

precipitation weighing tipping bucket / Hellmann Y

snow depth manual reading sonic ranging Y

short wave radiation thermopile (CM 24) photo diode (PAR) (Y)

long wave radiation thermopile (PIR) pyro-electric (KT 15) Y

soil temperature Pt-100 Pt-100 (2nd profile) N

soil moisture TDR (Trime EZ) Lumbricus / gravimetry (monitoring) Y

soil heat flux thermopile (flux plate) (soil temp. profile) (Y)

turb. Momentum flux sonic anemometer wind speed profile Y

turb. sensible heat flux sonic anemometer temperature profile, scintillometer Y

turb. latent heat flux sonic anemometer + IR-hygrometer air humidity profile Y

2. ABL Measurements at MOL-RAO

Page 12: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 12 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

Results of QA/QC Activities:

Data Availability and Data Quality

2. ABL Measurements at MOL-RAO

Page 13: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 13 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

micrometeorol. / flux measurements

Scintillometry

Foto: DWD-MOL (D. Dauß)

Foto: DWD-MOL (G. Hollaz)

Ground based remote sensing

Airborne measurements Field Experiment: LITFASS-2003

3. Heterogeneous Land Surface

Page 14: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 14 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00

UTC

Late

nt

Hea

t F

lux

in

W/m

2

HV Forest N4 Grass

N2 Grass FS Water

SS Water A1 Rye

A5 Rye A3 Barley

A8 Triticale A2 Rape

A7 Rape A9 Rape

A4 Maize A6 Maize

Surface Fluxes over Different Land Use Types

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00

UTC

Sen

sib

le H

ea

t F

lux i

n W

/m2

• large differences between

forest, farmland, water

• factor 2-3 for farmland

• var (H) > var (LE)

3. Heterogeneous Land Surface

Page 15: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 15 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

Strategies to Determine Area-Averaged Fluxes

(from Measurements)

Suitable (weighted)

averaging of local

measurements

Aircraft

measurements

Scintillometry Budget

methods

i

Xii

Xp

FpF )(/~ 2

LzCF XXX XwFX

~

t

h

dt

XdFX ;~

© J. Bange (TU Braunschweig)

3. Heterogeneous Land Surface

Page 16: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 16 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00

UTC

Sen

sib

le H

ea

t F

lux i

n W

/m2

Forest Mean

Forest Helipod

Forest LAS

Farmland Mean

Farmland Helipod

Farmland LAS/MWS

25.05.2003

LITFASS-2003: Area-Averaged Fluxes

3. Heterogeneous Land Surface

Page 17: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 17 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

Aspects

4. Contributions to NWP

operational diagnostics long-term validation cluster analysis / conditional validation data sets case studies parametrization development external (land surface) parameters spatial variability

© Mike Ek

Page 18: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 18 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

Operational Diagnostics: Time Series

4. Contributions to NWP

Page 19: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 19 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

Operational Diagnostics: Mean Monthly Diurnal Cycles

4. Contributions to NWP

Page 20: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 20 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

4. Contributions to NWP

Longterm Validation

Page 21: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 21 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

4. Contributions to NWP

Conditional Validation: Profiles for VDI-3783/8

Page 22: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 22 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

4. Contributions to NWP

Case Studies: Solar Eclipse March 2015

Page 23: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 24 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

4. Contributions to NWP

Parametrization Studies: Soil Moisture in TERRA

Improved simulation of soil water content through • consideration of bare soil evaporation • modified root density distribution with depth • use of vegetation parameters (LAI, plcov) from satellite data • modified deep soil water exchange • Consideration of enlarged infiltration

Page 24: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 25 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

4. Contributions to NWP

Data Sets: The SRNW Data Pool

Page 25: Deutscher Wetterdienst - GRUAN · Deutscher Wetterdienst . GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018 . Slide 2 of 27 . The Atmospheric Boundary Layer and the „Lindenberg Column“. 1. Introduction

Deutscher Wetterdienst

Slide 27 of 27 GRUAN-ICM10 @ MOL-RAO, 26.4.2018

Thank you for your attention!