Over land, the daytime evolution of the convective boundary layer (CBL) is driven by the strong surface forcing evolution. Recent modeling studies have demonstrated that models cannot capture the observed evolution because of difficulty to represent turbulent processes in CBL and shallow cumulus clouds. The purpose of this thesis is to advance our understanding of the structure of clear and cloudy boundary layer over land by providing observational evidence using long-term dataset. Specifically, it focuses on documenting the turbulent structure and properties of CBL and FWC using observations at the U.S. Department of Energy Atmospheric Radiation Measurement Program (ARM) Southern Great Plains (SGP) Climate Research Facility. First, Doppler velocity measurements from insects occupying the lowest 2 km of the boundary layer during summer months are used to map the vertical velocity component in the CBL. The observations cover four summer periods (2004–08) and are classified into cloudy and clear boundary layer conditions. A conditional sampling method is applied to the original Doppler velocity data set to extract coherent vertical velocity structures and to examine plume dimension and its contribution to the total turbulent transport. Profiles of vertical velocity variance, skewness, and mass flux are estimated to study the daytime evolution of the convective boundary layer during these conditions. The properties of summer time FWC clouds are analyzed using the long data record (14–year) of ground-based MMCR (Millimeter Wavelength Cloud Radar) observations at the ARM facility at the SGP site to document the macroscopic and dynamical properties of FWC clouds. Doppler velocities are processed for lower reflectivity thresholds that contain small cloud droplets having insignificant terminal velocities; thus Doppler velocities used as tracers of air motion. A fuzzy-logic based algorithmis developed to eliminate insect radar echoes in the boundary layer that hinder our ability to develop representative cloud statistics. The refined data set is used to document composite daytime evolution of cloud vertical velocity statistics, surface parameters and profiles of updraft and downdraft fractions, updraft and downdraft velocity, and updraft mass fluxes. Statistics on the cloud geometrical properties such as, cloud thickness, cloud chord length, cloud spacing and aspect ratios are calculated on the cloud scale. Lastly, some of the updraft aspects in existing mass-flux parameterizations are tested using the recent observations from Doppler lidar deployed since Midlatitude Continental Convective Cloud Experiment (MC3E). The updraft aspects from two existing mass-flux schemes are evaluated with the Doppler lidar vertical velocity observations to test its applicability over land. The vertical velocity observations in the subcloud layer are analyzed for various cloud conditions by separately decomposing into clear and cloudy regions, and for various cloud fractions to investigate the role of clouds on the subcloud structure. / Sur les continents, l'évolution diurne de la couche limite convective (CLC) est entrainée par l'évolution des forçages de surface. Les modélisations récentes ont démontré que les modèles ne peuvent pas capturer l'évolution observée en raison des difficultés pour représenter les processus turbulents dans les nuages cumulus de la CLC et peu profonde. Le but de cette thèse est de faire progresser notre compréhension de la structure de la couche limite claire et nuageuse sur les terres en fournissant des données d'observation à long terme et en utilisant un ensemble de données. Plus précisément, elle met l'accent sur la documentation de la structure turbulente et les propriétés de la CLC et des cumulus de beau temps (CBT) à l'aide d'observation acquise au site de recherches « Southern Great Plains » (SGP) du programme « Atmospheric Radiation Measurement » (ARM) du Département américain de l'énergie. Premièrement, les mesures de vitesse Doppler des insectes, qui occupent les 2 km au bas de la couche limite pendant les mois d'été, sont utilisés pour cartographier la composante de vitesse verticale dans la CLC. Les observations portent sur quatre périodes estivales (2004 - 08) et sont classées en conditions de couche limite claire et nuageuse. Un procédé d'échantillonnage conditionnel est appliqué aux données d'origine de vitesse Doppler pour extraire les structures cohérentes de vitesse verticale et pour examiner la dimension du panache et sa contribution au transport turbulent total. Les profils de la variance et de l'asymétrie de la vitesse verticale et du flux de masse sont estimés pour étudier l'évolution diurne de la CLC au cours de ces conditions. Les propriétés des nuages CBT d'été sont analysées en utilisant le long jeu de données d'observations (14 années) à partir du sol de MMCR (Radar de nuages à longueur d'onde millimétrique) au laboratoire SGP de ARM afin de documenter les propriétés macroscopiques et dynamiques des nuages CBT. Les vitesses Doppler sont traitées pour des seuils inférieurs de réflectivité qui contiennent de petites gouttelettes de nuages ayant des vitesses terminales négligeables; ainsi les vitesses Doppler sont utilisées comme des traceurs de mouvements de l'air. Un algorithme de logique floue a été développé pour éliminer les échos radar d'insectes dans la couche limite qui entravent notre capacité d'élaborer des statistiques représentatives des nuages. L'ensemble de données raffineés est utilisé pour documenter l'évolution diurne compose des statistiques de vitesse verticale des nuages, les paramètres de surface et des profils des fractions de courant ascendant et descendant, la vitesse des courants ascendant et descendants, et les flux de masse ascendant. Les statistiques sur les propriétés géométriques des nuages telles que, l'épaisseur des nuages, la longueur de corde des nuages, l'espacement des nuages et les rapports d'aspect sont calculés sur l'échelle nuageuse. Enfin, quelques uns des aspects des courants ascendants dans les paramétrisations existantes du flux de masse sont testées en utilisant les observations récentes du lidar Doppler déployé depuis l'expérience « Midlatitude Continental Convective Cloud Experiment » (MC3E). Les caractéristiques des courants ascendants de deux schéma existants de flux de masse sont évalués avec les observations de vitesse verticale du lidar Doppler pour tester son applicabilité sur les terres. Les observations de vitesse verticale dans la couche sous les nuages sont analysées pour différentes conditions nuageuses, en décomposant séparément les régions claires et nuageuses, et pour différentes fractions de nuages pour étudier le rôle des nuages sur la structure sous-nuageuse.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.114422 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Chandra, Arunchandra |
| Contributors | Pavlos Kollias (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Atmospheric and Oceanic Sciences) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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