Shallow Moist Convection
Basic Moist Thermodynamics
Remarkable Features of Moist Convection
Shallow Cumulus
(Stratocumulus)
Courtesy: Dave Stevens
Basic Moist Thermodynamics
Large scaleLarge scale
advectionadvection
Large scaleLarge scale
subsidencesubsidence
VerticalturbulenttransportVerticalturbulenttransport
NetCondensationRateNetCondensationRate
Grid Averaged Budget Equations
Schematically:
Objectives
Understand Moist Convection….
Design Models…..
But ultimately design parameterizations of:
 qv:Specific Humidity (g/kg)
Condensation occurs if qv exceeds the saturation value qs(T,p)
Usually through rising motion
 ql:Liquid Water (g/kg)
 Moist Conserved  Variables
qt = qv + ql :Total water specific humidity
(Conserved for phase changes!!)
Potential Temperature
Conserved for dry adiabatic changes
Virtual Potential Temperature
Directly proportional to the density
Measure for buoyancy
Liquid Water Potential Temperature
Conserved for moist adiabatic changes
 Used Temperature Variables
Energy equivalent:
Liquid Water Static Energy
Grid averaged equations for moist conserved variables:
Parametrization issue reduced to aconvective mixing problem!
A Unique Feature of Moist Convection
Moist Adiabatic Lapse Rate
A saturated ascending parcel will conserve hl :
Leads to a moist adiabatic lapse rate :
Example: T=290K,p=1000mb  
Temperature decrease less than for dry  parcels
Difference between          and          becomes progressively smaller for lower temperatures
Remarks:
z
(K)
T(K)
z
Absolute Instability
Lift a (un)saturated parcel from a sounding at z0 by dz
Check on buoyancy with respect to a mean profile:
Tv(K)
z
zo
sounding
Unstable for saturated and unsaturated parcels
Example 1:
Absolute Unstable
 Absolute Stability
Lift a (un)saturated parcel from a sounding at z0 by dz
Check on buoyancy with respect to the sounding:
Stable for saturated and unsaturated parcels
Example 2:
Tv(K)
zo
sounding
Absolute stable
Conditional Instability
Lift a (un)saturated parcel from a sounding at z0 by dz
Check on buoyancy with respect to the sounding:
Stable for unsaturated parcels
Unstable for saturated parcels
Example 2:
Conditionally Unstable!!!
Tv(K)
z
zo
sounding
Lifting condensation level (LCL)
40%
40%
40%
40%
40%
40%
40%
Level of free convection (LFC)
40%
40%
40%
40%
40%
40%
40%
Level of neutral buoyancy (LNB)
40%
40%
40%
40%
40%
40%
40%
“Level of zero kinetic energy”
Mean profile
height
well mixed layer
Inversion
 conditionally
unstable
layer
The Miraculous Consequences of conditional Instability
or: the “Cinderalla Effect” (Bjorn Stevens)
sad_face
img1731
CIN
Non-local integrated stability funcions:  CAPE, CINNon-local integrated stability funcions:  CAPE, CIN
CAPE = Convective Available Potential Energy.
CAPE
z0
LNB
z1
Define a work function:
Positive part:
CIN    =  Convection Inhibition
Negative part:
CIN allows the accumulation of CAPE
CAPE and CIN: An  Analogue with ChemistryCAPE and CIN: An  Analogue with Chemistry
Free
Energy
Surf Flux
Mixed Layer
CAPE
CIN
Activation (triggering)
LS-forcing
LS-forcing
RAD
LFC
LNB
Parcel Height
1) Large ScaleForcing:
 Horizontal Advection
 Vertical  Advection(subs)
 Radiation
2) Large ScaleForcing:
slowly builds up CAPE
3) CAPE
Consumed by moistconvection
 Transformed in KineticEnergy
Heating due to latentheat release (asmeasured by theprecipitation)
Fast Process!!
Free after Brian Mapes
Quasi-EquilibriumQuasi-Equilibrium
au
wu
Mb=au wu Amount of convective vertical motion at cloud base (in an ensemble sense)
The convective process that stabilizesenvironment
LS-Forcing that slowly builds up slowly
Quasi-equilibrium: near-balance is maintained even when F isvarying with time, i.e. cloud ensemble follows the Forcing.
Forfilled if :adj << F
Used convection closure (explicit or implicit)     JMb ~ CAPE/ adj
adj : hours to a day.
Quasi-Equilibrium: An  Earthly AnalogueQuasi-Equilibrium: An  Earthly Analogue
schapen
Think of CAPE as the length of the grass
Forcing as an irrigation system
Convective clouds as sheep
Quasi-equilibrium: Sheep eat grass nomatter how quickly it grows, so the grass isallways short.
Precipitation………..
Free after Dave Randall:
tradecu1
tradecu1
Typical Tradewind Cumulus
Strong horizontal variability !
cumtimeserieqt
cumtimeseriew
wqt_1000m
wthl_1000m
wql_1000m
wthv_1000m
wthl_200m
wqt_200m
wthv_200m
Mean profile
height
Horizontal Variability and Correlation
cloud1
Schematic picture of cumulus moist convection:
Cumulus convection:
1.more intermittant
2.more organized
than
Dry Convection.
a
wc
a
a
Mass flux concept: tomorrow more!!
Curainbow
Photo courtesy Bjorn Stevens
Shallow Cumulus Convection
Observational Characteristics : Trade wind shallow Cu
non well-mixed cloud layer
Surface heat-flux: ~10W/m^2
Surface Latent heat flux : 150~200W/m^2
Data  provided by: S. Rodts, Delft University, thesis availablefrom:http://www.phys.uu.nl/~www.imau/ShalCumDyn/Rodts.html
Mixing between Clouds and Environment
                                                     (SCMS Florida 1995)
RF12repzqlprof
adiabat
Due to entraiment!
RF12repzthlprof
Liquid water potential temperature
Total water (ql+qv)
Entrainment Influences:
1.Vertical transport
2.Cloud top height
RF12repzqlprof
adiabat
The simplest Cloud MixingModel
4.1 lateral mixing bulk model
hc
Fractional entrainment rate
qtco_crop
arm_1930utc
thlco
Typical Tradewind Cumulus Case (BOMEX)
Data from LES: Pseudo Observations
Diagnose
through conditional sampling:
eps
Trade wind cumulus: BOMEX
SCMS_entrainment_core
LES
Observations
Cumulus over Florida: SCMS
Siebesma JAS 2003
Horizontal or vertical mixing?
Lateral
 mixing
txp_fig
Adopted in cloud parameterizations:
Cloud-top
 mixing
Observations
(e.g. Jensen 1985)
However: cloud top mixing  needssubstantial adiabatic cores within the clouds.
RF12repzqlprof
adiabat
(SCMS Florida 1995)
No substantial adiabaticcores (>100m) foundduring SCMS except nearcloud base. (Gerber)
Does not completelyjustify the entrainingplume model but………
It does disqualify asubstantial number ofother cloud mixing models.
May 16, 2007
Backtracing particles in LES: where does the air inthe cloud come from?
Entrance level
Cloudtop
Cloudbase
Cloudtop
Measurement level
Lateral entrainment
Cloudtop entrainment
Inflow from subcloud
Courtesy Thijs Heus
May 16, 2007
Height vs. Source level
entrobsbu1000raw
Virtually all cloudy air comes from below theobservational level!!
5.Dynamics,  Fluxes and otherstuff that can’t be measuredaccurately
array
BOMEX ship array (1969)
No observations of turbulent fluxes.
Use Large Eddy Simulation (LES)
based on observations
No observations of turbulent fluxes.
Use Large Eddy Simulation (LES)
based on observations
observed
observed
To be modeled by LES
10 different LES models
Initial profiles
Large scale forcings prescribed
6 hours of simulation
10 different LES models
Initial profiles
Large scale forcings prescribed
6 hours of simulation
profini
Is LES capable ofreproducing the steady state?
Is LES capable ofreproducing the steady state?
Large Scale Forcings
Large Scale Forcings
qvfinal
thfinal
Mean profiles after 6 hours
Mean profiles after 6 hours
Use the last 4 simulation hours for analysis of …….
Use the last 4 simulation hours for analysis of …….
LESarm2
arm_1930utc
To do analyses of the dynamics using theLES results
How is the steady state achieved?
c-e
c-e
turb
turb
forcing
forcing
rad
How is the steady state achieved?
3dclouds
Cloud cover
Cloud cover
Turbulent Fluxes of            and
Turbulent Fluxes of            and
Subcloud layer looks similar than dry PBL!!
wthltot
wqttot
Turbulent Fluxes of the conservedvariables qt and l
Turbulent Fluxes of the conservedvariables qt and l
Cloud layer looks like a enormous entrainment layer!!
Dry PBL velocity variance profile
Vertical Velocity in the cloud and the total vertical velocity variance
qtco
thlco
Conditional Sampling of:
Total water qt
Liquid water potential temperature l
Conditional Sampling of:
Total water qt
Liquid water potential temperature l
thvco
Virtual potential temperature: v
Virtual potential temperature: v
qlco
Cloud Liquid water
Cloud Liquid water
Shallow Cumulus Growth, (an idealized view)
Extension from the dry PBL growth, but now…..
Adding Moisture
Bjorn Stevens accepted for JAS
Non-precipating cumulus
dry
cloudy
Temporal Evolution
Temporal Evolution
dry pbl growth
cloud base height
cloud top height
condensation
evaporation
Energetics
Stabilisation of Cloud Base (1)
Mass flux
Growth through dry top-entrainment
Negative in the presense of subsidence
Mass leaking out of PBL through clouds
Stabilisation of Cloud Base height  (2)
Pbl-height
cloud top height
Bjorn Stevens (accepted JAS)
Many Parameterization of Shallow Cu still give poor results
Role of Precipitation
Mesoscale-Organisation
Momentum Transport