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Large-Eddy Simulations of Marine Boundary Layer Clouds Associated with Cold-Air Outbreaks during the ACTIVATE Campaign. Part I: Case Setup and Sensitivities to Large-Scale Forcings

Li, Xiang-Yu und Wang, Hailong und Chen, Jingyi und Endoe, Satoshi und George, Geet und Cairns, Brian und Chellappan, Seethala und Zeng, Xubin und Kirschler, Simon und Voigt, Christiane und Sorooshian, Armin und Crosbie, Ewan und Chen, Gao und Ferrare, Richard und Gustafson, William I. Jr. und Hair, J. W. und Kleb, Mary M. und Liu, Hongyu und Moore, Richard H. und Painemal, David und Robinson, Claire und Scarino, Amy Jo und Shook, Michael und Shingler, Taylor und Thornhill, Kenneth L. und Tornow, Florian und Xiao, Heng und Ziemba, Luke D. und Zuidema, Paquita (2022) Large-Eddy Simulations of Marine Boundary Layer Clouds Associated with Cold-Air Outbreaks during the ACTIVATE Campaign. Part I: Case Setup and Sensitivities to Large-Scale Forcings. Journal of the Atmospheric Sciences, 79 (1), Seiten 73-100. American Meteorological Society. doi: 10.1175/JAS-D-21-0123.1. ISSN 0022-4928.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
8MB

Offizielle URL: https://dx.doi.org/10.1175/JAS-D-21-0123.1

Kurzfassung

ABSTRACT: Large-eddy simulation (LES) is able to capture key boundary layer (BL) turbulence and cloud processes. Yet, large-scale forcing and surface turbulent fluxes of sensible and latent heat are often poorly prescribed for LESs. We derive these quantities from measurements and reanalysis obtained for two cold-air outbreak (CAO) events during Phase I of the Aerosol Cloud Meteorology Interactions over the Western Atlantic Experiment (ACTIVATE) in February–March 2020. We study the two contrasting CAO cases by performing LES and test the sensitivity of BL structure and clouds to large-scale forcings and turbulent heat fluxes. Profiles of atmospheric state and large-scale divergence and surface turbulent heat fluxes obtained from ERA5 data agree reasonably well with those derived from ACTIVATE field measurements for both cases at the sampling time and location. Therefore, we adopt the time-evolving heat fluxes, wind, and advective tendencies profiles from ERA5 data to drive the LES. We find that large-scale thermodynamic advective tendencies and wind relaxations are important for the LES to capture the evolving observed BL meteorological states characterized by the hourly ERA5 data and validated by the observations. We show that the divergence (or vertical velocity) is important in regulating the BL growth driven by surface heat fluxes in LESs. The evolution of liquid water path is largely affected by the evolution of surface heat fluxes. The liquid water path simulated in LES agrees reasonably well with the ACTIVATE measurements. This study paves the path to investigate aerosol–cloud–meteorology interactions using LES informed and evaluated by ACTIVATE field measurements.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/185837/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Large-Eddy Simulations of Marine Boundary Layer Clouds Associated with Cold-Air Outbreaks during the ACTIVATE Campaign. Part I: Case Setup and Sensitivities to Large-Scale Forcings
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Li, Xiang-YuPacific Northwest National Laboratory, Richland, WashingtonNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wang, HailongPacific Northwest National Laboratory, Richland, WA, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Chen, JingyiPacific Northwest National Laboratory, Richland, WashingtonNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Endoe, SatoshiBrookhaven National Laboratory, Upton, New YorkNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
George, GeetInternational Max Planck Research School on Earth System Modelling, Max Planck Institute for Meteorology, Hamburg, Germanyhttps://orcid.org/0000-0002-1579-4523NICHT SPEZIFIZIERT
Cairns, BrianNASA Goddard Institute for Space Studies, New York, New YorkNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Chellappan, SeethalaUniversity of Miami, Miami, FL, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Zeng, XubinUniversity of Arizona, Tucson, AZ, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kirschler, SimonDLR, IPANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Voigt, ChristianeDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0001-8925-7731NICHT SPEZIFIZIERT
Sorooshian, ArminUniversity of Arizona, Tucson, AZ, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Crosbie, EwanNASA Langley Research Center, Hampton, Virginia, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Chen, GaoNASA Langley Research Center, Hampton, VirginiaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ferrare, RichardNASA Langley Research Center, Hampton, VA, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Gustafson, William I. Jr.Pacific Northwest National Laboratory, Richland, WashingtonNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Hair, J. W.NASA Langley Research Center, Hampton, VI, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kleb, Mary M.NASA Langley Research Center, Hampton, VirginiaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Liu, HongyuNational Institute of Aerospace, Hampton, VA, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Moore, Richard H.NASA Langley Research Center, Hampton, VA, USAhttps://orcid.org/0000-0003-2911-4469NICHT SPEZIFIZIERT
Painemal, DavidNASA Langley Research Center, Hampton, VA, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Robinson, ClaireNASA Langley Research Center, Hampton, Virginia, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Scarino, Amy JoNASA Langley Research Center, Hampton, VANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Shook, MichaelNASA Langley Research Center, Hampton, Virginia, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Shingler, TaylorNasa Langley Research Center, Hampton, VA, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Thornhill, Kenneth L.NASA Langley Research Center, Hampton, Virginia, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Tornow, FlorianCenter for Climate Systems Research, Earth Institute, Columbia University, New York, New YorkNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Xiao, HengPacific Northwest National Laboratory, Richland, WashingtonNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ziemba, Luke D.Nasa Langley Research Center, Hampton, VA, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Zuidema, PaquitaUniversity of Miami, Miami, FL, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2022
Erschienen in:Journal of the Atmospheric Sciences
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:79
DOI:10.1175/JAS-D-21-0123.1
Seitenbereich:Seiten 73-100
Verlag:American Meteorological Society
ISSN:0022-4928
Status:veröffentlicht
Stichwörter:cold fronts, Marine boundary layer, Air-sea interaction, clouds, aircraft observations, dropsondes, large eddy simultations
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HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erdbeobachtung
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EO - Erdbeobachtung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Projekt Klimarelevanz von atmosphärischen Spurengasen, Aerosolen und Wolken
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Physik der Atmosphäre > Wolkenphysik
Hinterlegt von: Keur, Natalie Desiree
Hinterlegt am:23 Mär 2022 10:13
Letzte Änderung:23 Mär 2022 10:13

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