Studies on Lower Atmospheric Processes over South India using Numerical Atmospheric Models and Experiments

Tesis Doctoral / Disertación , 2008 , 216 Páginas

Física - Astronomía

Troposphere is the lowest layer of the atmosphere, where the temperature
decreases with increasing altitude. The prime objective of this study is the
characterization of various atmospheric processes ranging from a few kilometers to a
few hundreds of kilometers taking place within this layer over the southern part of
Indian sub-continent with the aid of numerical atmospheric models and observational
data. With a view to broadening our understanding on some of the interesting
atmospheric events such as Sea/Land Breeze Circulation (SLBC), Mountain Waves,
and Thunderstorms, hitherto not attempted very much in an analytical and quantitative
sense by many researchers the world over, the contents of this thesis titled “Studies on
Lower Atmospheric Processes over South India using Numerical Atmospheric
Models and Experiments” are organized into seven chapters.

Inhaltsverzeichnis

• Preface
• Chapter 1
  • Introduction
  • Criticalities involved in the various Atmospheric Events
    • Scales of Atmospheric motion
    • Rapid Changes in Atmospheric Parameterization
    • Computing Requirements
    • Dissemination of Forecast Product to the User's Community
  • Examples of some Mesoscale Atmospheric Processes
    • Density or Gravity Current
    • Tropical Cyclones
    • Thunderstorms
    • Squall Lines
    • Tornadoes
    • Sean-and Breezes
    • Gravity or Buoyancy Waves
    • Mountain,/Lee Waves
    • Slope and Valley Winds
  • History Of Numerical Weather Prediction (NWP)
  • Potentials of Atmospheric Model
  • Objective of the Thesis
  • Organization of the Thesis
• Chapter 2
  • Numerical Atmospheric Models used in the Study
  • Basic Classification of Atmospheric Models
    • Hydrostatic Approximation
    • Atmospheric Model classification
  • High-resolution Regional Model (HRM)
    • Differential form of the Model Equations
    • Physical Parameterintion
      • Radiation and Clouds
      • Grid Scale Precipitation
      • Convection
      • Turbulent Fluxes in ABL and Free Atmosphere
      • soil Model
    • Operational ofHRMbasedonGMEData
  • Advanced Regional Prediction System (ARPS)
    • Dynamic Equations and Numerical Formulation
      • The Coordinatc System
      • Governing Equations
    • Parameterintion
      • Sub-grid Scale Turbulence
      • Microphysics
      • Planetary Boundary Layer Depth
      • Surface Flux
      • Land Surface Energy and Soil Vegetation
      • Cumulus Parameterization
    • Boundary Conditions
      • Lateral Boundary Conditions
      • Top and Bottom Boundary Conditions
  • Comparison between HRM and ARPS
  • Limitations of HRM and ARPS
  • Rationale Behind the Choice Of the Models
  • Discussion
• Chapter 3
  • Statistical Assessment Of Atmospheric Models used in the Study
  • Methodology of Evaluation Of Statistical Bias and its Significance
    • Model Bias and Simulation Errors: General Introduction
    • Statistical Significance Of the Model Bias
    • Normalimtion of Model Bias
    • Incorporation of Model Bias in Near Real Time Simulations
    • Statistical Skill Parameters: Correlation Coeffcient and Root Mean Square Error (RMSE)
  • Statistical Evaluation Of HRM forecast fields
    • Error Analysis for the Entire Domain
    • Methodology
    • Model Performance for +24 hours and +48 hours simulations
    • Monthly Mean Normalized Bias in different Seasons
    • Evaluation Of the Performance of the Model in the Entire Domain during different seasons
    • Model Bias over SHAR and Trivandrum
  • Sensitivity of ARPS to the Initial Conditions and its Impact on the forecast fields
  • Discussion
• Chapter 4
  • Characterization of Sea/Land Breeze Circulation Along the West Coast Of Indian Sub-continent
  • SeafLand Breeze Circulation
  • SLBC over the West Coast Of Indian Sub-continent: A Review
  • Domain of Study and Definition of Sea Breeze Component
  • Data
    • Model Data
    • Ship Data
    • India Meteorological Department (IMD) data
  • Results
    • Thermal and wind structure Of SLBC over Ocean and Land
    • Numerical Simulation of SLBC characteristics during pre-monsoon and winter
      • Diurnal Variation Of SealLand Breeze Component
      • Spatial Variation of Sea Breeze component
      • Spatial variation of Boundary Layer Height within the SLBC
  • Discussion
• Chapter 5
  • Mountain Wave Activity Over the Western Ghats of Indian Sub-continent
  • Mountain Wave Projects
  • Mountain Waves and their Significance
  • Domain Of Study and Database
  • Theory
    • Mountain Waves
    • Orographic Lifting
  • Results
    • Froude Number
    • Scorer Parameter
    • Vertical Propagation and Wave Breaking Characteristics from the Model Simulations
    • Vertical Momentum Flux
  • Discussion
• Chapter 6
  • Thunderstorm Over the East and West Coast of Indian Sub-continent: A Case Study
  • Thunderstorm: Some Meteorological Aspects
    • What is a Thunderstorm?
    • Related Natural Hazards and Meteorological Importance
    • Precursors to Thunderstorm Occurrence
      • Triggering Mechanism
      • Conditional Instability
      • High Dew-point Temperature
      • Low-level Wind Shear
    • Life Cycle Of Thunderstorrn
  • A Review of thunderstorm Studies
  • Thunderstorm Events over SHAR and Trivandrum: Typical case Study
  • Model Configuration
  • Results
    • Prediction of Thunderstorm over SHAR: A Case Study
      • Prevailing Conditions
      • Model Simulations
        • Surface Level Horizontal Divergence
        • Pressure Perturbation
        • Vertical Velocity
      • Discussion: Prediction of Thunderstorm
    • Post Analysis of Thunderstorm event over Trivandrum
      • Meteorological Conditions Prevailing over the Location
      • Elevated Convection
      • Advection of Storms
      • Merger Process
      • Three Numerical Simulation Experiments over Trivandrum
        • Experiment 1
        • Experiment 2
        • Experiment 3
      • Discussion: Post Analysis of Thunderstorm over Trivandrum
  • Conclusions
• Chapter 7
  • Summary and Conclusions
  • Scope for Future Work
• References

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Die Dissertation befasst sich mit der Charakterisierung verschiedener atmosphärischer Prozesse in der untersten Schicht der Erdatmosphäre, der Troposphäre, unter Verwendung von numerischen Atmosphärenmodellen und Beobachtungen. Die Arbeit konzentriert sich auf drei wichtige Prozesse: die Seeland-Brise-Zirkulation, die Bergwellenaktivität und Gewitterphänomene. Die Dissertation zielt darauf ab, ein tieferes Verständnis dieser Prozesse zu gewinnen, indem sie die Ergebnisse von zwei verschiedenen numerischen Atmosphärenmodellen, dem hochauflösenden Regionalmodell (HRM) und dem Advanced Regional Prediction System (ARPS), mit verfügbaren Beobachtungsdaten vergleicht.

• Seeland-Brise-Zirkulation: Die Dissertation untersucht die Charakteristika der Seeland-Brise-Zirkulation entlang der Westküste Indiens, einschließlich ihrer räumlichen Ausdehnung, ihrer zeitlichen Entwicklung, ihrer vertikalen Struktur und der Existenz von Rückströmungen.
• Bergwellenaktivität: Die Arbeit analysiert die Entstehung und die Eigenschaften von Bergwellen über den westlichen Ghats Indiens, indem sie die Froude-Zahl und den Scorer-Parameter als Indikatoren für die Bergwellenaktivität untersucht.
• Gewitterphänomene: Die Dissertation untersucht die Vorhersagefähigkeit von ARPS bei der Simulation von Gewittern an zwei Küstenstationen in Indien, Sriharikota (Ostküste) und Trivandrum (Westküste). Die Arbeit analysiert die verschiedenen Stadien der Gewitterentwicklung, einschließlich der Kumulus-, Reif- und Auflösungsphase, sowie die Auswirkungen von Gewittern auf die lokale Atmosphäre.

Zusammenfassung der Kapitel

Kapitel 1 bietet eine Einführung in das Thema der Dissertation und beschreibt den historischen Hintergrund der numerischen Wettervorhersage. Es werden verschiedene Skalen atmosphärischer Prozesse, die Bedeutung von Parametrisierungen und die Herausforderungen bei der Bereitstellung von Wettervorhersagen für die Öffentlichkeit diskutiert.

Kapitel 2 stellt die beiden numerischen Atmosphärenmodelle HRM und ARPS vor, die in der Dissertation verwendet werden. Es werden die dynamischen Gleichungen, die numerischen Formulierungen und die Parametrisierungsschemata der Modelle detailliert beschrieben.

Kapitel 3 befasst sich mit der statistischen Bewertung der beiden Modelle, indem es die systematischen Fehler der HRM-Simulationen im Vergleich zu den Reanalyse-Feldern untersucht. Es werden verschiedene Methoden zur Fehlerbewertung, einschließlich der Normalisierung von Modellfehlern und der Einarbeitung von Modellfehlern in Echtzeitsimulationen, erläutert. Darüber hinaus wird die Sensitivität von ARPS gegenüber den Anfangsbedingungen und ihre Auswirkungen auf die Vorhersagefelder untersucht.

Kapitel 4 konzentriert sich auf die Charakterisierung der Seeland-Brise-Zirkulation entlang der Westküste Indiens. Die Ergebnisse von HRM-Simulationen werden mit Beobachtungen aus dem ICARB-Feldexperiment verglichen, um die räumliche und zeitliche Entwicklung der Seeland-Brise, die vertikale Struktur der Zirkulation und die Existenz von Rückströmungen zu untersuchen.

Kapitel 5 untersucht die Bergwellenaktivität über den westlichen Ghats Indiens. Die Froude-Zahl und der Scorer-Parameter werden verwendet, um die Entstehung und die vertikale Ausbreitung von Bergwellen während verschiedener Jahreszeiten zu charakterisieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Bergwellenaktivität während der sommerlichen Monsunzeit verstärkt ist, während sie während der Übergangszeiten (Prä- und Postmonsun) schwächer ist.

Kapitel 6 befasst sich mit der Simulation von Gewittern an den Küstenstationen Sriharikota und Trivandrum. Es werden die Vorläufer von Gewittern untersucht und die Ergebnisse von ARPS-Simulationen mit Beobachtungen verglichen. Die Arbeit zeigt, dass ARPS die Entwicklung von Gewittern mit ihren verschiedenen Stadien (Kumulus, Reif, Auflösung) und die Auswirkungen von Gewittern auf die lokale Atmosphäre simulieren kann.

Kapitel 7 fasst die wichtigsten Ergebnisse der Dissertation zusammen und diskutiert den Bedarf an zukünftigen Forschungsarbeiten. Es werden verschiedene Möglichkeiten zur Verbesserung der Genauigkeit der Modellsimulationen durch die Einarbeitung von Beobachtungsdaten in die Modelle und die Weiterentwicklung der Parametrisierungsschemata vorgeschlagen.

Schlüsselwörter

Die Schlüsselwörter und Schwerpunktthemen des Textes umfassen die Seeland-Brise-Zirkulation, Bergwellenaktivität, Gewitterphänomene, numerische Atmosphärenmodelle, HRM, ARPS, Datenassimilation, Fehleranalyse, Froude-Zahl, Scorer-Parameter, CAPE, CINE, Indien, Westküste Indiens, östliche Ghats, westliche Ghats, Sriharikota, Trivandrum.

• Universidad: University of Kerala (Space Physics Laboratory, Vikram Sarabhai Space Centre - Indian Space Research Organization, Dept. of Space, Govt. of INdia)
• Curso: Physics - Atmospheric Sciences
• Autores: S. Indira Rani (Autor), Radhika Ramachandran (Autor), Dr. D. Bala Subrahamanyam (Autor)
• Año de publicación: 2008
• Páginas: 216
• No. de catálogo: V178406
• ISBN (Ebook): 9783656005698
• ISBN (Libro): 9783656005841
• Idioma: Inglés
• Etiqueta: studies, lower, atmospheric, processes, south, india, numerical, atmospheric, models, experiments