Stratocumulus clouds in ECHAM5-HAM

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1 DISS. ETH NO Stratocumulus clouds in ECHAM5-HAM A dissertation submitted to the ETH ZURICH for the degree of Doctor of Sciences presented by COLOMBE SIEGENTHALER - LE DRIAN Dipl. Ing. Phys. EPF, EPFL, Switzerland born 10 October 1980 citizen of Switzerland accepted on the recommendation of Prof. Dr. Ulrike Lohmann, examiner Dr. Peter Spichtinger, co-examiner Prof. Dr. Bjorn Stevens, co-examiner 2010

2 Abstract Marine stratocumulus-capped boundary layers show a strong net cooling impact on the Earth- Atmosphere system. Indeed, their high albedo reflects more incoming solar radiation than the underlying ocean, while their low-level induce similar longwave emissions as the Earth s surface. Moreover, they are highly persistent over subtropical oceans. They are therefore very important for climate models to make reliable projections of future climate. However, the various state-ofthe-art general circulation models (GCM) do not agree on the response of low cloud amount to a doubling of CO 2. This contributes strongly to the uncertainty in the global climate projections. Unfortunately, marine stratocumuli are difficult to simulate in a GCM, due to its coarse resolution. This work focuses on three particular aspects, which contribute to their rather poor representation in the ECHAM5-HAM GCM. First, the vertical turbulent diffusion in the standard ECHAM5-HAM is performed on variables, which are not conserved during adiabatic motion, such as the liquid water mixing ratio (q l ). This tends to smooth the q l vertical profile, destroying the cloud. Second, most GCMs tend to overestimate the second aerosol indirect effect with respect to satellite based studies. The latter aerosol effect is based on the assumption that an increase in the aerosol loading in a cloud results in more but smaller cloud droplets (for constant liquid water content). The smaller cloud droplets might be less efficient to precipitate, increasing the liquid water path (LWP) and the lifetime of the cloud. On the other hand, large eddy simulation models showed that smaller cloud droplets induce an enhanced entrainment of warm dry air at cloud top which potentially leads to a decrease of LWP. Third, marine stratocumulus lie under a sharp inversion, which is difficult to represent in a coarse resolution model. This work describes how we address these three problems. As a first contribution, we perform turbulent diffusion on variables which are adiabatic conserved under phase change. It requires a decrease of the minimal width (C) of the total mixing ratio (q t ) probability density function (PDF), which is a tuning parameter. This decrease largely affects the model. It leads to less precipitation and a warming of the lower model levels. The implementation of the diffusion on adiabatic conserved variables improves the representation of marine stratocumuli in terms of cloud cover with respect to the version with the reduced C. The stratocumuli have a smaller vertical extent and higher q l. Moreover, the q t PDF in the main cloud level is often broader as in the version with reduced C, and thus counteracts the effects of the reduced C. A major part of this work is the introduction of an explicit cloud top entrainment parameterization in marine stratocumulus regions. In addition, the cooling due to the longwave radiative divergence is explicitly added in the buoyancy production. The latter is a source term for the turbulence kinetic energy (TKE), which is used for turbulent transport. The principal effect of this parameterization is to warm and dry the planetary boundary layer (PBL), evaporating the stratocumuli. The inversion is thus reduced. On the other hand, the shallow convective activity in the trade winds is enhanced. Indeed, the radiative term in the buoyancy production leads to a higher latent heat flux triggering more convection. Moreover, the new parameterization reduces the overestimation of the sensitivity of LWP to an increase in cloud droplet number concentration. Finally, the TKE is greatly affected. The main effect consists of a smoothing of the huge values produced in the standard version. Moreover in nature, the main buoyancy production (source of TKE) in marine stratocumulus is at the cloud top. This is reproduced in the new parameterization. However, the PBL is less mixed, with small TKE values inside the PBL. iii

3 Finally, to better represent the inversion capping the marine stratocumuli and its interaction with the physical routines, a new dynamically refined Gaussian grid is defined. In each model column, at most two levels are added. One of the interfaces follows the inversion and the other interface follows the cloud base if there is a cloud. The inversion and cloud base are reconstructed using the moist virtual potential temperature, which is a conserved quantity for moist adiabatic processes. The physical routines are then computed on the refined Gaussian grid. The first results are promising. They show a high frequency of reconstructed inversions in the marine stratocumulus regions. iv

4 Résumé Dans le bilan radiatif de l atmosphère, les stratocumulus marins provoquent un refroidissement considérable. En effet, ils réfléchissent une plus grande proportion de rayonnement solaire que l océan, alors qu ils émettent environ la même quantité de rayonnement infrarouge. De plus ils sont très persistants dans les régions subtropicales. Les stratocumulus marins sont de ce fait très importants dans l étude des prévisions des changements climatiques à venir. Pourtant, les différents modèles atmosphériques de circulation générale (MCG) ne concordent pas quant à la réponse des stratocumulus marins à un doublement de la quantité de CO 2 dans l atmosphère. Ceci contribue significativement aux uncertitudes des projections climatiques. Les stratocumulus marins sont difficiles à représenter dans les MCGs qui travaillent avec un maillage grossier. Dans ce travail, nous nous intéressons a trois aspects particuliers de la représentation des ces nuages dans le MCG ECHAM5-HAM. Premièrement, dans la version de référence, la diffusion turbulente est appliquée sur des variables qui ne sont pas conservées adiabatiquement sous changement de phase, par exemple le contenu spécifique en eau liquide [g kg 1 ]. Cela a tendance à lisser le profil vertical de ce dernier et à détruire le nuage. Deuxièmement, les MCGs surestiment le second effet indirect de l aérosol en comparaison avec certaines études basées sur des données satellites. Cet effet de l aérosol sur le nuage est basé sur l hypothèse que l augmentation de la concentration des aérosols provoque une augmentation de la concentration des gouttelettes, ce qui réduit l efficacité de la formation des précipitations. L inhibition des précipitations réduit à son tour les pertes en eau liquide dans le nuage, ce qui entraîne une augmentation de son contenu en eau intégré (CEI), ainsi que de son temps de vie. Or les modèles numérique à résolution fine ont démontré qu une diminution de la taille des gouttelettes induit une augmentation de l entraînement sommital d air chaud et sec provenant d au-dessus du nuage dans la couche limite atmosphérique (CLA). Ainsi le CEI peut diminuer selon l humidité relative de l air entraîné. Finalement, les stratocumulus marins sont surmontés d une inversion thermique importante au sommet de la CLA (qui correspond au sommet des stratocumulus marins) très difficile a représenter dans un modèle à maillage grossier. Voici comment nous allons aborder ces trois problèmes. Premièrement, nous avons adapté la diffusion turbulente pour qu elle agisse sur des variables qui sont adiabatiquement conservées sous changement de phase. Cela requiert la diminution de la largeur minimale (C) de la fonction de densité de probabilité (PDF) associée au contenu spécifique en eau totale pour le calcul de la couverture nuageuse. Cette variables est un paramètre de réglage du modèle, et sa réduction affecte largement la performance du modèle. En effet, le taux de précipitation augmente, ce qui entraîne un réchauffement des plus bas niveaux de l atmosphère. L implémentation de la diffusion turbulente sur les variables adiabatiquement conservées améliore la capacité du modèle à simuler la couverture nuageuse des stratocumulus marins en comparaison avec la version où C est réduit. Ils sont moins épais, mais présentent un plus grand contenu spécifique en eau liquide. De plus, la PDF de la couche principale du nuage est plus large, ce qui contrecarre l effet de la réduction de C. La majeure partie de ce travail consiste en l implémentation d une paramétrisation explicite de l entraînement sommital dans les stratocumulus marins. De plus, la nouvelle paramétrisation inclut l addition d un terme explicite dû à la divergence radiative additionée au flux de flottabilité. Ce dernier est un terme de source pour l énergie cinétique turbulente qui est à la base du transport turbulent dans le modèle. Le principal impact de cette nouvelle paramétrisation v

5 est de réchauffer et sécher la CLA, ce qui évapore les stratocumulus. Ainsi, l inversion thermique est réduite. En revanche, le terme radiatif dans le flux de flottabilité entraîne un flux de chaleur latente plus fort, ce qui enclenche plus souvent la routine de convection. La convection peu profonde dans la région des vents alizés est ainsi stimulée. En outre, cette nouvelle paramétrisation réduit la surestimation de la sensibilité du CEI en fonction de l augmentation de la concentration du nombre de gouttelettes dans le nuage. Finalement, l énergie cinétique turbulente est sensiblement affectée, les énormes valeurs apparaissant dans la version standard laissent place à des profils plus lisses. Aussi, dans la nature, la principale source de flottabilité dans les stratocumulus marins se trouve au sommet du nuage, due au refroidissement radiatif. Ceci est reproduit dans la nouvelle paramétrisation. Par contre, la couche limite est moins bien mélangée, les valeurs de l énergie cinétique turbulente dans la CLA sont petites. Enfin, pour mieux représenter l inversion thermique au sommet des stratocumulus marins, ainsi que ses interactions numériques avec les routines simulant les différents processus physiques, une nouvelle grille gaussienne dynamiquement affinée est définie. Dans chaque colonne du modèle, (au plus) deux niveaux sont ajoutés. Une des nouvelles interfaces suit l inversion, l autre la base du nuage (si un nuage est présent). L inversion et la base du nuage sont reconstruites à partir de la température potentielle virtuelle humide, une quantité conservée sous changement de phase. La nouvelle grille gaussienne est substituée à l ancienne pour toutes les routines qui calculent les processus physiques sur la grille gaussienne. Même si cette paramétrisation est encore en cours de développement, les premiers résultats sont prometteurs, avec une haute fréquence de reconstruction de l inversion dans les régions typiques de stratocumulus marins. vi