Sensitivity of land-atmosphere coupling strength in dependence of land cover and atmospheric thermodynamics over Europe

Abstract

Biogeophysical feedbacks between the land surface and the atmosphere have been identified to heavily control the climate system. Land-atmosphere (L-A) coupling strength is a concept to quantify the feedback processes. However, the quantification is still subject to uncertainties, in particular, in the context of land surface influences on local convective precipitation. On the one hand, feedback processes are the result of a chain of complex interactions between various components in the L-A system all exhibiting spatiotemporal variability. On the other hand, L-A coupling strength is not a directly measurable quantity. It can be assessed with different scientific approaches, which makes the quantification dependent on the methodology and the availability of suitable data sets. The aim of this doctoral thesis is to investigate the impact of changes in the vegetation cover and the atmospheric thermodynamic conditions on the long-term coupling signal between the land surface and the triggering of deep moist convection during the European summer. The ‘convective triggering potential – low-level humidity index’ framework, which is a commonly used L-A coupling metric, classifies a day in favor for L-A coupling or not, based on the prevailing thermodynamic conditions in the atmosphere. The daily classifications are used to measure the frequency of days with favorable conditions during the study period, and to identify regions with high frequencies of favorable conditions as coupling hot spots. The framework is applied to model output from regional climate model (RCM) simulations with WRF-NoahMP with diverging land cover conducted over the historical period 1986-2015 for the Euro-CORDEX domain. Impacts of changes in vegetation cover are analyzed by comparing the L-A coupling strength from two sensitivity experiments with idealized extreme land use and land cover changes (LULCCs) against a simulation with realistic land cover. A posteriori modifications to the temperature and moisture output fields of the simulation with realistic land cover were implemented to analyze impacts of systematic changes in the atmospheric thermodynamic conditions. A potential coupling hot spot with predominantly positive feedbacks was identified over Eastern Europe. In Southern Europe and Europe’s coastal areas, the coupling is regularly inhibited by very dry, very wet or stable conditions in the atmosphere. The location of the hot spot appeared insensitive to LULCCs and changes in the thermodynamic conditions. None of the sensitivity tests within a realistic range of temperature and moisture modifications for a recent climate period, led to a disappearance of the hot spot or to overcome the causes for inhibiting coupling in the respective areas in summer. Nevertheless, the experiments demonstrated also considerable variance of the coupling strength within the hot spot region. LULCCs changed the turbulent heat fluxes from the land surface, and thus the atmospheric boundary layer (ABL) heating and moistening. This impacted the boundary layer development of each day. It also caused changes in the average thermodynamic characteristics during the study period, which changed the frequency of favorable pre-conditioning for convection triggering and enhanced the variance in the coupling strength in the hot spot. Both effects were identified to influence the land surface control on the occurrence of convective precipitation. Furthermore, the sensitivity tests with a posteriori modifications revealed uncertainties in the predominant atmospheric response to differently wet surfaces around the Black Sea, shown by a disagreement in the predominant coupling pathway between the modification cases. The findings further indicate uncertainty in whether the hot spot expands over Central Europe, as the feedback signal was sensitive to changes in temperature and moisture. Additionally, the model has a warm and dry bias in this area, which suggests an overestimation of the humidity deficit. The large humidity deficit, in turn, was the inhibiting factor for a high frequency of occurrence of favorable pre-conditions for deep moist convection. The analyses reveal a sensitivity of the L-A coupling strength and atmospheric response to the prevailing land surface and atmospheric conditions in the hot spot. This highlights the need to consider both the land surface state and its impact on L-A coupling strength with respect to predictions of convective precipitation events in strongly coupled regions (and periods). Given that L-A coupling provides predictive skill for climate projections and seasonal forecasts, improved understanding about causes of variability in L-A coupling strength is crucial for improvements therein.

Biogeophysikalische Rückkopplungsprozesse zwischen Landoberfläche und Atmosphäre haben einen großen Einfluss auf das Klimasystem. Allerdings unterliegt ihre Quantifizierung, allen voran des Einflusses der Landoberflächen auf die Auslösung konvektiver Niederschläge, weiterhin großen Unsicherheiten. Ursachen dafür sind die Komplexität der Interaktionen im Land-Atmosphären (L-A)-System unter Beteiligung vieler verschiedener Komponenten, die alle unterschiedlich starker räumlich-zeitlicher Variabilität unterliegen. Zudem ist die L-A Kopplungsstärke keine direkt messbare, sondern eine diagnostische Größe, die noch dazu mit verschiedenen wissenschaftlichen Ansätzen untersucht wird, sodass Ergebnisse sowohl von derWahl der Metrik, als auch von der Qualität und dem Zugang zu geeigneten Datensätzen abhängt. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist die Untersuchung, ob und wie sich Änderungen in der Landnutzung und den thermodynamischen Bedingungen der Atmosphäre auf die potentielle Kopplungsstärke zwischen Landoberflächenfeuchte und dem Auslösen von hochreichender Konvektion in den europäischen Sommermonaten auswirken. Dafür wurden drei Klimasimulationen mit dem regionalen Klimamodel WRF-NoahMP für den historischen Zeitraum 1986-2015 für die Euro-CORDEX Domain durchgeführt, die sich in der Landbedeckung unterscheiden. Die Kopplungsstärke wurde mit Hilfe der L-A-Kopplungsmetrik ‚Convective triggering potential – low-level humidity index Framework‘ analysiert, welche die Häufigkeit von förderlichen Bedingungen für lokal ausgelöste Konvektion in der Atmosphäre quantifiziert. Durch den Vergleich der Ergebnisse der Kopplungsmetrik für die Simulationen mit verschiedener Landbedeckung konnten die Einflüsse von Änderungen in der Vegetation analysiert werden. Weitere systematische Änderungen in den thermodynamischen Bedingungen und deren Auswirkungen auf die Kopplungsstärke konnten mit Hilfe von nachträglichen Modifikationen der Temperatur- und Feuchtefelder der Simulation mit realistischer Landbedeckung erfasst werden. Sämtliche Analysen zeigten einen Kopplungshotspot über Ost- und Nordosteuropa, wo vorwiegend positive Rückkopplungen zwischen Landoberfläche und konvektiven Niederschlägen auftreten. Die Lage des Hotspots wir nicht durch Änderungen der Landbedeckung oder der Atmosphärenstruktur beeinflusst. Keine der Temperatur- und Feuchteänderungen, deren Spektrum einen realistischen Rahmen für das gegenwärtige Klima abdecken, konnten ein Verschwinden des Hotspots herbeiführen oder die Ursachen für die Unterdrückung von Rückkopplungen (zu starke Trockenheit, Feuchte oder Stabilität in der Atmosphäre) über Südeuropa und in Küstennähe beseitigen. Allerdings zeigen die Experimente und Sensitivitätstests eine deutliche Varianz in der Kopplungsstärke in der Hotspotregion. Landnutzungsänderungen modifizieren die Aufteilung der Wärmeflüsse an der Landoberfläche und beeinflussen, ob die Grenzschicht vorwiegend feuchter oder aufgeheizt wird. Dadurch wird die Grenzschichtentwicklung jedes Tages beeinflusst, aber auch die mittleren thermodynamischen Eigenschaften der Atmosphäre, welche direkt mit förderlichen Vorbedingungen für das Auslösen von hochreichender Konvektion in Verbindung stehen und diese verändern. Beides wirkt sich auf den Einfluss der Landoberfläche auf das Auftreten konvektiver Niederschläge aus. Zusätzlich zeigten die Sensitivitätstests Unsicherheiten in der Reaktion der Atmosphäre auf die Variabilität der Landoberflächenfeuchte um das Schwarze Meer, und der Ausdehnung des Hotspots über Zentraleuropa. Die Ausdehnung wird von den Temperatur- und Feuchtemodifikationen beeinflusst, und im Modell wird das Feuchtedefizit in dieser Region überschätzt. Das regelmäßig hohe Feuchtedefizit ist die Hauptursache für das Verhindern von Rückkopplungen in dieser Region. Sämtliche Analysen zeigen eine Sensitivität der L-A Kopplungsstärke und der Reaktion der Atmosphäre auf die Landoberflächen- und Atmosphärenbedingungen im Hotspot. Daher ist es notwendig, sowohl die Landoberflächenbedingungen selber, als auch deren Einfluss auf die Kopplungsstärke zu berücksichtigen, um konvektiven Niederschlag akkurat vorhersagen zu können, vor allem in stark gekoppelten Regionen bzw. Zeiträumen. Da L-A Kopplung auch einen prognostischen Wert für Klimaprojektionen und saisonale Vorhersagen hat, trägt ein erhöhtes Verständnis über Ursachen für Variabilität in L-A Kopplungsstärke zu deren Verbesserung bei.