Understanding low-level clouds in western Equatorial Africa during the long dry season

Die Dissertation zeigt anhand von verschiedenen Beobachtungsdaten und numerischen Wettervorhersagemodellen die Ursachen für die Entstehung und Auflösung niedriger Wolken im westlichen Äquatorialafrika während der langen Trockenzeit von Juni bis September. Tiefe Wolken spielen eine wichtige Rolle bei der Erhaltung des Regenwaldes und im Strahlungshaushalt der Erde. Sie werden jedoch in Wetter- und Klimamodellen nicht korrekt repräsentiert, was zu Ungenauigkeiten in Berechnungen führt, die auf korrekteren Strahlungsbudgets basieren, wie z.B. Projektionen des Klimawandels.
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Niedrige Wolken haben je nach Perspektive unterschiedliche phänotypische Eigenschaften, die in dieser Dissertation untersucht werden. Mit Hilfe von Stationsdaten und Satellitendaten konnte der unterschiedliche Tagesgang der Wolken zwischen der küstennahen Region, in der die tiefen Wolken ein morgendliches Aufbrechen zeigen, der windzugewandten Seite der Chaillu Berge, wo sich eine Staulage ohne Aufklarung bildet, und dem östlichen Teil Gabuns, der durch eine große Amplitude der tiefen Wolken im Tagesgang gekennzeichnet ist, gebildet werden. Die Stationsdaten zeigen zudem einen Übergang von Cumulus zu Stratocumulus im Tagesverlauf, was auf eine durch Konvektion aufgebrochene Wolkendecke hindeutet. Über dem Nordosten der Republik Kongo sind ebenfalls mesoskalige konvektive Systeme zu erkennen, die sich in Richtung Nordwesten bewegen und dementsprechend im Nordosten von Gabun Regenschauer bringen können.
Darüber hinaus verringern diese Wolken und die Wolkenausläufer die Genauigkeit der Erkennung niedriger Wolken aus dem Weltraum, da sie die Wolken verdecken. Das Produkt 2B-Geoprof-LiDAR, das auf den sonnensynchronen, erdumfliegenden Satelliten CALIPSO und CloudSat basiert, lieferte außerdem Informationen über die vertikale Verteilung von Wolken in verschiedenen Regionen im westlichen Äquatorialafrika. Ein Hauptunterschied zwischen Ozean und Land ist die sehr stratiforme Wolkenschicht über dem Wasser, die über Land vertikal viel stärker perturbiert wird, einerseits durch die rauere Oberfläche und andererseits durch die stärkere Konvektion tagsüber über Land.
Bei der Verwendung des numerischen Wettervorhersagemodells ICON gibt es auffällige Unterschiede in Temperatur, Feuchte, Wind und Stabilität zwischen expliziter und parametrisierter Konvektion. Die Parametrisierung der hochreichenden Konvektion führt zu einer Austrocknung der Atmosphäre an den Grenzen der innersten Domain durch konvektiven Niederschlag. In der parameterisierten Version wird ein entsprechend niedriger Feuchtegehalt in die Modelldomain transportiert, wie anhand von des Feuchtebudgets an den Domaingrenzen gezeigt wird. Dies ist erkennbar an der geringeren Anzahl von tiefen Wolken und dem reduzierten Niederschlag im westlichen Äquatorial Afrika. Die Parameterisierung der flachen Konvektion führt zu einer Austrocknung der unteren Troposphäre und einer Feuchtigkeitsanhäufung im Übergang von der unteren zur mittleren Troposphäre im Vergleich zur Simulation ohne parametrisierte Konvektion. Das Parameterisierungsschema hebt die Grenzschicht an, was zu einer niedrigeren spezifischen Feuchte in der feuchten Mischungsschicht führt, die im expliziten Lauf weiter in die trockenere mittlere Troposphäre reicht. Mithilfe der Froude-Zahl, die einen Stabilisierungsindikator darstellt, kann gezeigt werden, dass die Chaillu Berge in der Nacht umströmt werden, was bereits in historischen Beobachtungen aufgezeichnet wurde.

The thesis uses a variety of observational data and numerical weather prediction model experiments to show the causes of the genesis and lysis of low-level clouds in tropical western Equatorial Africa during the long dry season from June to September. Such
low-level clouds play a crucial role in the conservation of the rainforest and the Earth’s radiation budget. However, low-level clouds are not accurately represented in weather and climate models, leading to biased calculations based on more precise radiation budgets, including climate change projections.
Low-level clouds have different phenotypic characteristics depending on the perspective, which are highlighted in this thesis. ... mehrBy utilising synoptic weather station data (EECRA, ISD, MIDAS, AMMA) and spaceborne satellite data (MSG, CALIPSO, CloudSat),
we can identify the distinct diurnal cycle of clouds in various parts of Gabon. In the coastal region, low-level clouds show a morning breakup, while on the windward side of the Chaillu Mountains, a stagnant layer forms without clearing. In contrast, the eastern region of Gabon experiences a large amplitude of low-level clouds in the diurnal cycle. The data from the station evidences a transition from cumulus to stratocumulus throughout the day, signifying the break-up of the cloud cover due to convection. Furthermore, Mesoscale convective systems are observable in the Northeast of the Republic of Congo, and are heading towards northwest, likely resulting in showers in the Northeast of Gabon. Additionally, the mid- and high-level cloud and the Mesoscale Convective Systems lower the precision of detecting low-level clouds from space, since they obstruct the view. The cloud fraction
product 2B-Geoprof-LiDAR, acquired by the sun-synchronous satellites CALIPSO and CloudSat, provides valuable information regarding on the vertical positioning of low-level clouds over in various regions of western Equatorial Africa. Notably, a significant contrast exists between ocean and land, with the former exhibiting a highly stratiform low-level cloud layer, whereas the land encounters more vertical disruption. This can be attributed to its rougher surface and stronger daytime convection.
Using the Numerical Weather Prediction model ICON, noticeable differences in temperature, humidity, wind, and stability are apparent between explicit and parameterised convection. The deep convection parameterisation caused an atmospheric drying at the boundaries of the simulated domain due to convective precipitation. In the parameterised version, a lower moisture content is advected into the innermost model nest, as demonstrated by the moisture budgets at the boundaries of the domain. This is corroborated by a reduction in low-level clouds and precipitation in western Equatorial Africa.
Furthermore, the parameterisation of shallow convection results in a decrease in moisture in the lower troposphere and an increase in the transition region between the lower and middle troposphere. The parameterisation scheme lifts the boundary layer resulting in reduced specific humidity in the humid mixed layer, which extends deeper into the middle troposphere. This area is comparably drier in the explicit run. By utilizing the Froude Number as a stabilization indicator, evidence reveals that there is a nocturnal flow around the Chaillu Mountains, as has been documented in historical observations, already. Overall a comprehensive understanding of low-level cloud is conducted in this study.