Land-atmosphere Interaction During Convective Events in Ås, Norway

Abstract

Samspelet mellom jord og atmosfære kan påverke ulike tilstandar i atmosfæren utifrå kva tilstandar som er i jorda. Eit slik samspel som har vore meir forska på dei siste åra er korleis ulike jordtilstandar kan påverke utviklinga av konveksjon i atmosfæren. Konveksjon er framleis vanskeleg å varsle men utviklinga av finare maskar i dei numeriske vêrvarsla let oss skildre fysikken rundt kraftig nedbør betre. Dette gjer at meir kunnskap om utviklinga av konveksjon og kva som påverkar den vil vere nødvendig for å vere betre rusta mot meir nedbør og lage betre vêrvarsel i ei verd med meir nedbør. Meir kunnskap om konveksjon i høge breiddegrader og om korleis konveksjon oppfører seg i nord skal difor utforskast i denne oppgåva, det skal og undersøkast kva jordfukt og Eddy Kovarians målingar viser i dei ulike tilfella. Dette har blitt gjort gjennom analyse av data frå radiosondar saman med observert data frå feltstasjonen på Søråsjordet i Ås. Eit rammeverk med parametrane convective triggering potential(CTP) og low-level humidity index (HI_{low}) som er berekna frå radiosondedata har blitt teke i bruk for å undersøke samspelet mellom jord og atmosfære under konveksjon nærare. Det er i tillegg gjort ei liknande analyse av reanalysedata frå ERA5 modellen frå ECMWF. For å undersøke samanhengane mellom jordtilstanden og konveksjon vart det berekna daglege verdiar for radiosonde parametrane og ei klassifisering av dei ulike dagane om dei inneheldt konveksjon eller ikkje vart gjort. Desse verdiane vart sett saman med dagleg aggregerte verdiar for jordfukt, Eddy Kovarians og nedbørdata delt for morgon og kveld av dagen, før ein generalisert lineær modell vart tilpassa med dei ulike aggregerte verdiane for både observert data og reanalyse data. Den generaliserte lineære modellen fann at CTP og HI_{low} var signifikante forklaringsvariablar for det observerte datasettet med eit signifikansnivå på 5~\%. For reanalyse datasettet var det verdien for jordfukt om morgonen som vart funne som signifikant forklaringsvariabel ved 5~\% signifikansnivå. For reanalyse datsettet vart det og funne ei oppdeling av dei ulike konveksjonshendingane med bakgrunn i CTP, HI_{low} og jordfukt, som viser at dette rammeverket kan vere verdt å undersøke nærare. I den observerte dataen vart nedbørshendingane plassert korrekt i forhold til CTP-HI_{low} rammeverket. Elles vart det funne lite samsvar mellom dei ulike variablane frå det observerte og det modellerte datasettet. Det dårlege samsvaret mellom datasetta og den låge representasjonen av ulike tilfelle viser behovet for ei lenger tidsserie med observert data som er betre balansert og inkluderer fleire tilfelle enn det som var tilgjengeleg på dette tidspunktet.

Land-atmosphere interactions describe the relationship between the surface conditions and the atmosphere. One such interaction that has been studied recently is the interaction between soil moisture and convection. Convective events are still challenging to forecast but the development of higher-resolution numerical models allows for a better description of the physics leading to heavy rain more accurately. This leads to a need for more and better knowledge about the small-scale processes causing the evolution of convective events to be better equipped in a world with more and heavy precipitation due to climate change. More knowledge about convection in higher latitudes and how convection behaves in the north is therefore being explored in this thesis. This has been done by analysing radiosonde data and other measurements such as precipitation, soil moisture and Eddy Covariance from Søråsjordet field station is Ås. To study the possible coupling between soil moisture and convection, the convective triggering potential (CTP) and low-level humidity index (HI_{low}) framework with sounding-derived parameters has been implemented for both the field station measurements and to reanalysis data from the ERA5 model. To examine the interactions between the surface conditions and convection, daily values for the sounding-derived parameters were computed together with a classification of the different days as convective or non-convective. These values were then combined with daily aggregated values for morning and evening precipitation, soil moisture and Bowen ratio. A GLM was then fitted to the combined dataset for both the observed data and the reanalysis data. The GLM found the CTP and HI_{low} parameters to be significant explanation variables for a 5~\% significance level in the observed dataset. In the reanalysis dataset, the only explanation variable that was significant was the morning soil moisture level. In the reanalysis data for July and August 2023, a splitting of datapoints was seen in CTP, HI_{low} and soil moisture indicating that a land-atmosphere interaction might be found in Norway during convective events. The precipitative events in the observed data were placed correctly according to the CTP-HI_{low} framework. Further, almost no degree of correlation was found between the reanalysis and the observed dataset variables. The lack of correlation and the low representation of different cases in the observed dataset displays the need for a longer time series of observed data which is better balanced and includes more diversity of events than what was available at this time.