Modelling Fog and Low Stratiform Clouds in the Namib Desert with COSMO-FOG

Abstract

The Namib Desert – one of the driest regions on earth – is a typical coastal desert with very scarce rainfall and regularly occurring fog. Fog water input often exceeds rainfall and thus fog water deposition is a major source of water for the ecosystem and could be a source of water for human settlements. Therefore, a better understanding of the processes that control fog formation and its spatio-temporal patterns is important.<br /> To investigate the spatio-temporal evolution of fog events and the processes controlling fog occurrence, the three-dimensional fog model COSMO-FOG is developed. For this purpose, the microphysical parametrisation of the one-dimensional fog and boundary layer model PAFOG is implemented into the three-dimensional numerical weather prediction model COSMO. To have access to additional diagnostic tools, COSMO/MESSy (COSMO including the Modular Earth Submodel System) is used instead of the pure COSMO model. The processes controlling fog occurrence and its spatial variability in the Namib region are analysed with COSMO-FOG using the MESSy submodel TENDENCY.<br /> At first the model behaviour and consistency of COSMO-FOG is investigated in an idealised environment for a horizontally homogeneous marine stratus. A sensitivity study for the COSMO model and COSMO-FOG with different vertical model grid spacings is performed. The simulations with COSMO-FOG yield a more realistic cloud water content for the marine stratus compared to the COSMO model. The simulations with different vertical grids show that a fine vertical grid is necessary to resolve sharp gradients at cloud top.<br /> In order to investigate the spatio-temporal patterns, diurnal life cycle phases and contributing atmospheric processes of fog and low stratiform clouds in the Namib Desert, individual case studies in the austral spring season 2017 are simulated with COSMO-FOG. In the afternoon, stratiform clouds are often present above the Atlantic Ocean and close to the coastline. In the evening, these clouds proceed onshore and intercept with the terrain of the ascending "Great Escarpment" thus forming fog. The extension of fog and stratiform clouds is caused by the advection of cold and moist air masses interacting with turbulent mixing. The advection of warm continental air masses with an easterly wind causes lower cloud heights and a smaller spatial extent of fog and stratiform clouds. Large-scale subsidence enhances this effect.<br /> The results obtained with COSMO-FOG are evaluated with satellite retrievals and ground-based measurements. COSMO-FOG largely captures the spatial distribution of fog and low stratiform clouds and the meteorological situation. Especially for coastal stations the diurnal cycle and onset of the fog events are in agreement with the observations. At inland stations COSMO-FOG sometimes underestimates the extension of fog dependent on the synoptic situation.

<strong>Modellierung von Nebel und niedrigen stratiformen Wolken in der Wüste Namib mit COSMO-FOG</strong> <br /> Die Wüste Namib – eine der trockensten Regionen der Erde – ist eine typische Küstenwüste mit sehr geringen Niederschlägen und regelmäßig auftretendem Nebel. Der Wassereintrag durch Nebel übersteigt häufig die Niederschlagsmenge, so dass Nebelwasser eine wichtige Wasserquelle für das Ökosystem ist und außerdem eine Wasserquelle für die menschliche Nutzung sein kann. Deshalb ist hier ein besseres Verständnis der Prozesse, die die Entstehung von Nebel und dessen räumlich-zeitliche Verteilung steuern, wichtig.<br /> Zur Untersuchung der Nebelausdehnung und der daran beteiligten Prozesse wird das dreidimensionale Nebelmodell COSMO-FOG entwickelt. Zu diesem Zweck wird die mikrophysikalische Parametrisierung des eindimensionalen Nebel- und Grenzschichtmodells PAFOG in das dreidimensionale numerische Wettervorhersagemodell COSMO implementiert. Um Zugang zu zusätzlichen Diagnosewerkzeugen zu haben, wird nicht das reine COSMO-Modell, sondern COSMO/MESSy (COSMO mit dem Modular Earth Submodel System), verwendet. Die Prozesse, die das Auftreten von Nebel und seine räumliche Variabilität in der Namib-Region steuern, werden mit COSMO-FOG unter Verwendung des MESSy-Submodells TENDENCY analysiert.<br /> Zunächst wird das Modellverhalten und die Konsistenz von COSMO-FOG in einer idealisierten Umgebung für eine horizontal homogene marine Stratuswolke untersucht. Es wird eine Sensitivitätsstudie für COSMO und COSMO-FOG und für unterschiedliche vertikale Modellgitterabstände durchgeführt. Die Simulationen mit COSMO-FOG ergeben einen realistischeren Flüssigwassergehalt für die marine Stratuswolke im Vergleich zum COSMO-Modell. Die Simulationen mit verschiedenen vertikalen Gittern zeigen, dass ein feines vertikales Gitter notwendig ist, um scharfe Gradienten an der Wolkenobergrenze aufzulösen.<br /> Um die räumlich-zeitliche Ausdehnung, die täglichen Lebenszyklusphasen und die dazu beitragenden atmosphärischen Prozesse von Nebel und niedrigen stratiformen Wolken in der Wüste Namib zu untersuchen, werden einzelne Fallstudien im Frühling der südlichen Hemisphäre 2017 mit COSMO-FOG simuliert. Am Nachmittag sind stratiforme Wolken häufig über dem Atlantik und in Küstennähe vorhanden. Am Abend breiten sich diese Wolken landeinwärts aus und bilden Nebel, wo sie auf das ansteigende Gelände der "Großen Randstufe" treffen. Die Ausbreitung des Nebels und der stratiformen Wolken wird durch die Advektion kalter und feuchter Luftmassen in Wechselwirkung mit turbulenter Durchmischung verursacht. Die Advektion warmer kontinentaler Luftmassen mit einem östlichen Wind führt zu niedrigeren Wolkenhöhen und geringerer räumlicher Ausdehnung von Nebel und stratiformen Wolken. Groß-skaliges Absinken verstärkt diesen Effekt.<br /> Die mit COSMO-FOG erzielten Ergebnisse werden anhand von Satellitenbeobachtungen und bodengestützten Messungen evaluiert. COSMO-FOG erfasst die räumliche Verteilung von Nebel und niedrigen stratiformen Wolken und die meteorologische Situation weitgehend gut. Insbesondere für die Küstenstationen stimmen der Tagesgang und der Beginn der Nebelereignisse mit den Beobachtungen überein. An Stationen im Landesinneren unterschätzt COSMO-FOG gelegentlich die Nebelausdehnung abhängig von der synoptischen Situation.