Understanding the sensitivity of convection to free-tropospheric moisture

Almost all of the precipitation in the Tropics is caused by or linked with atmospheric deep convection, and it also contributes significantly to the summer-time precipitation in the midlatitudes. Deep convection is often associated with hazardous weather, including thunderstorms, tornadoes and hurricanes. On a global scale, deep convection produces most of the precipitation on Earth, affects large-scale weather and climate patterns and transfers water vapor and heat to the upper troposphere. The physical mechanisms in deep convection, especially those responsible for its sensitivity to low-to-midtropospheric moisture, need to be understood in order to produce realistic weather and climate forecasts. In this thesis, a novel mechanism potentially controlling deep convection and contributing to its moisture sensitivity has been studied. Vertical temperature structures associated with 1) precipitation over tropical oceans and 2) evaporation of stratiform precipitation were investigated using radiosonde and satellite observations at tropical sounding stations and idealized model simulations, respectively. After precipitation over tropical oceans, warm layers, that were below cold layers, were observed in the lower troposphere but only over dry regions. The idealized simulations showed that evaporation of stratiform precipitation results in qualitatively similar temperature structures. It was concluded that, depending on the amount of low-to-midtropospheric moisture, evaporation of stratiform precipitation and resulting adiabatic subsidence warming could cause lower tropospheric warm anomalies that may control the formation of subsequent deep convection and thereby explain why deep convection depends on the amount of low-to-midtropospheric moisture. ERA5 and ERA-Interim reanalyses were also compared with observations at the tropical sounding stations. The comparison showed that the newer ERA5 differed more than the older ERA-Interim from observations in the low-to-midtroposphere. Based on comparisons to previous studies, it was concluded that the underlying model in ERA5 may not represent the moisture sensitivity of convection entirely correctly. This thesis suggests that tropical stratiform precipitation contributes to the moisture sensitivity of deep convection. Accurate representations of tropical stratiform precipitation and its evaporation may be key to more realistic representation and understanding of convective phenomena in numerical weather prediction and climate models.Ilmakehän syvässä konvektiossa ympäristöään lämpimämpi ilma nousee ylöspäin muodostaen pilvi- ja sadepisaroita. Syvä konvektio aiheuttaa valtaosan tropiikissa havaitusta sademäärästä sekä merkittävän osan keskileveysasteilla kesäisin havaitusta sademäärästä. Syvä konvektio liittyy usein vaarallisiin sääilmiöihin, kuten ukkosmyrskyihin, tornadoihin ja hurrikaaneihin. Se vaikuttaa myös suuren mittakaavan sää- ja ilmastovaihteluihin sekä kuljettaa vesihöyryä ja lämpöä troposfäärin, eli ilmakehän alimman kerroksen, yläosiin. Syvässä konvektiossa vaikuttavat fysikaaliset mekanismit, erityisesti ne jotka aiheuttavat sen herkkyyden troposfäärin ala- ja keskiosien kosteuden määrälle, tulee ymmärtää tarkkojen sää- ja ilmastonmuutosennusteiden tuottamiseksi. Tässä väitöskirjassa on tutkittu erästä uutta mekanismia joka mahdollisesti selittää syvän konvektion kosteusherkkyyden ja täten voi säädellä sen muodostumista. Mekanismin ymmärtämiseksi tässä väitöskirjassa on tutkittu minkälaisia lämpötilan pystyrakenteita syvään konvektioon ja hyvin usein sen yhteydessä esiintyvään laajemman skaalan sateeseen liittyy. Tätä tutkittiin radioluotaus- ja satelliittihavaintojen sekä idealisoitujen mallisimulaatioiden avulla. Tulokset viittaavat siihen, että laajan skaalan sateen haihtuminen ja siihen liittyvä ilman laskuliike voivat, riippuen troposfäärin ala- ja keskiosien kosteuden määrästä, johtaa lämpimien ilmakerrosten muodostumiseen troposfäärin alaosissa. Tällainen lämpötilan pystyrakenne on epäsuotuisaa uuden syvän konvektion muodostumiselle. Tulokset viittaavat siis siihen että syvän konvektion yhteydessä usein esiintyvä laajan skaalan sade ja sen haihtuminen voi olla syynä syvän konvektion kosteusherkkyydelle. Laajan skaalan sateen ja sen haihtumisen tulisi esiintyä oikein numeerisissa sääennustus- ja ilmastomalleissa, jotta syvään konvektioon liittyvät ilmiöt voisivat esiintyä niissä oikein. Tässä väitöskirjassa verrattiin myös kahta ilmakehän uusanalyysiä, ERA5 ja ERA-Interim uusanalyysiä, trooppisilla merialueilla tehtyihin radioluotaushavaintoihin lämpötilan ja kosteuden osalta. Vertailu osoitti että ERA5 uusanalyysi eroaa havainnoista enemmän kuin ERA-Interim uusanalyysi troposfäärin ala- ja keskiosissa. On mahdollista ettei konvektion kosteusherkkyys ole täysin oikein ERA5 uusanalyysissä käytetyssä sääennustusmallissa