Atmospheric general circulation models used for climate simulation and weather forecasting require the fluxes of radiation, heat, water vapor, and momentum across the land-atmosphere interface to be specified. These fluxes are calculated by submodels called land surface parameterizations. Over the last 20 years, these parameterizations have evolved from simple, unrealistic schemes into credible representations of the global soil-vegetation-atmosphere transfer system as advances in plant physiological and hydrological research, advances in satellite data interpretation, and the results of large-scale field experiments have been exploited. Some modern schemes incorporate biogeochemical and ecological knowledge and, when coupled with advanced climate and ocean models, will be capable of modeling the biological and physical responses of the Earth system to global change, for example, increasing atmospheric carbon dioxide.

We tested four land surface parameterization schemes against long‐term (5 months) area‐averaged observations over the 15 km × 15 km First International Satellite Land Surface Climatology Project (ISLSCP) Field Experiment (FIFE) area. This approach proved to be very beneficial to understanding the performance and limitations of different land surface models. These four surface models, embodying different complexities of the evaporation/hydrology treatment, included the traditional simple bucket model, the simple water balance (SWB) model, the Oregon State University (OSU) model, and the simplified Simple Biosphere (SSiB) model. The bucket model overestimated the evaporation during wet periods, and this resulted in unrealistically large negative sensible heat fluxes. The SWB model, despite its simple evaporation formulation, simulated well the evaporation during wet periods, but it tended to underestimate the evaporation during dry periods. Overall, the OSU model ably simulated the observed seasonal and diurnal variation in evaporation, soil moisture, sensible heat flux, and surface skin temperature. The more complex SSiB model performed similarly to the OSU model. A range of sensitivity experiments showed that some complexity in the canopy resistance scheme is important in reducing both the overestimation of evaporation during wet periods and underestimation during dry periods. Properly parameterizing not only the effect of soil moisture stress but also other canopy resistance factors, such as the vapor pressure deficit stress, is critical for canopy resistance evaluation. An overly simple canopy resistance that includes only soil moisture stress is unable to simulate observed surface evaporation during dry periods. Given a modestly comprehensive time‐dependent canopy resistance treatment, a rather simple surface model such as the OSU model can provide good area‐averaged surface heat fluxes for mesoscale atmospheric models.

Abstract The schemes proposed in part I are tested using single‐column data sets from tropical field experiments (GATE, BOMEX, ATEX) and an arctic air‐mass transformation. Both the deep and shallow schemes perform well. The sensitivity of the schemes to adjustable parameters is also studied. Preliminary global forecasts show significant improvements in the global surface fluxes and mean tropical temperature tendency over the operational Kuo convection scheme.

Abstract The Tiled ECMWF Scheme for Surface Exchanges over Land (TESSEL) is used operationally in the Integrated Forecast System (IFS) for describing the evolution of soil, vegetation, and snow over the continents at diverse spatial resolutions. A revised land surface hydrology (H-TESSEL) is introduced in the ECMWF operational model to address shortcomings of the land surface scheme, specifically the lack of surface runoff and the choice of a global uniform soil texture. New infiltration and runoff schemes are introduced with a dependency on the soil texture and standard deviation of orography. A set of experiments in stand-alone mode is used to assess the improved prediction of soil moisture at the local scale against field site observations. Comparison with basin-scale water balance (BSWB) and Global Runoff Data Centre (GRDC) datasets indicates a consistently larger dynamical range of land water mass over large continental areas and an improved prediction of river runoff, while the effect on atmospheric fluxes is fairly small. Finally, the ECMWF data assimilation and prediction systems are used to verify the effect on surface and near-surface quantities in the atmospheric-coupled mode. A midlatitude error reduction is seen both in soil moisture and in 2-m temperature.

Abstract A new convective adjustment scheme is proposed, based on the simultaneous relaxation of temperature and moisture fields towards observed quasi‐equilibrium thermodynamic structures, with a relaxation time of order two hours. Separate schemes are used for deep and shallow (non‐precipitating) convection.

This paper discusses the sensitivity of short- and medium-range precipitation forecasts for the central United States to land surface parametrization and soil moisture anomalies. Two forecast systems with different land surface and boundary layer schemes were running in parallel during the extreme rainfall events of July 1993. One forecast system produces much better precipitation forecasts due to a more realistic thermodynamic structure resulting from improved evaporation in an area that is about 1 day upstream from the area of heaviest rain. The paper also discusses two ensembles of 30-day integrations for July 1993. In the first ensemble, soil moisture is initialized at field capacity (100% availability); in the second ensemble it is at 25% of soil moisture availability. It is shown that the moist integrations produce a much more realistic precipitation pattern than the dry integrations. These results suggest that there may be some predictive skill in the monthly range related to the time-scale of the soil moisture reservoir. The mechanism responsible for the precipitation differences is concluded to be the result of differences in surface heating in the area 1 day upstream, impacting the atmospheric thermo-dynamic structure. Increased evaporation and reduced heating in moist soil conditions upstream result in the absence of significant boundary layer capping inversion and hence little inhibition of deep precipitating convection.

Four distinct meteorological regimes in the Amazon basin have been examined to distinguish the contributions from boundary layer aerosol and convective available potential energy (CAPE) to continental cloud structure and electrification. The lack of distinction in the electrical parameters (peak flash rate, lightning yield per unit rainfall) between aerosol‐rich October and aerosol‐poor November in the premonsoon regime casts doubt on a primary role for the aerosol in enhancing cloud electrification. Evidence for a substantial role for the aerosol in suppressing warm rain coalescence is identified in the most highly polluted period in early October. The electrical activity in this stage is qualitatively peculiar. During the easterly and westerly wind regimes of the wet season, the lightning yield per unit of rainfall is positively correlated with the aerosol concentration, but the electrical parameters are also correlated with CAPE, with a similar degree of scatter. Here cause and effect are difficult to establish with available observations. This ambiguity extends to the “green ocean” westerly regime, a distinctly maritime regime over a major continent with minimum aerosol concentration, minimum CAPE, and little if any lightning.

Using the Boreal Ecosystem‐Atmosphere Study mesonet data, we show the annual cycle of albedo for 1994 and 1995 at 10 sites; two over grass, one over an aspen forest, and an average of seven over coniferous forests. Representative daily average albedo values in summer are 0.2 over grass, 0.15 for aspen, and 0.083 for the conifer sites. In winter the corresponding mean albedo for snow‐covered grass, aspen, and conifer sites with snow under the canopy are 0.75, 0.21, and 0.13. The jack pine sites have a higher mean winter albedo of 0.15 than the predominantly spruce sites for which mean albedo is only 0.11. Forest albedo increases at all sites in winter (with snow on the ground under the canopy) as the ratio of diffuse to total solar flux increases. The albedo of the conifer sites in winter rarely reaches 0.3.

Abstract This paper discusses the thermodynamic transports of heat, liquid water and (briefly) water vapour by non‐precipitating cumulus convection. It is shown that because of the irreversible mixing between cloud and environment, there is a downward transport of enthalphy in the cumulus layer. A lapse‐rate adjustment model relates stratification to the life‐cycle of a model cloud parcel. A sub‐cloud layer model specifies the lower boundary of the lapse‐rate model, and the convective transports through cloud‐base. Budget equations together with the lapse‐rate model, and its time dependent boundary conditions, predict the time development of the cumulus layer, and show the dependence on large‐scale mean vertical motion, cloud‐base variations, and the surface sensible heat flux.

The difficult problem of parameterizing tropical convection in large‐scale models of the atmosphere led to the Global Atmospheric Research Program’s Atlantic Tropical Experiment (GATE), whose goal was to improve basic understanding of tropical convection and its role in the global atmospheric circulation. A dense network of instrumented ships equipped with upper air sounding equipment and quantitative weather radars were located over the Atlantic Ocean, in the intertropical convergence zone (ITCZ), just west of equatorial Africa. The ship network was supplemented by a fleet of research aircraft and a geosynchronous meteorological satellite. The data obtained show that the deep convection in the ITCZ was concentrated in two types of ‘cloud clusters,’ rapidly moving squall clusters, and slowly moving nonsquall clusters. The clusters were characterized by large mid‐to‐upper level cloud shields, or ‘anvil clouds,’ that emanated from penetrative cumulonimbus convection. Accompanying the deep cumulonimbus in each cluster was a log normal spectrum of smaller convective features ranging from moderate cumulonimbus down to tiny nonprecipitating cumulus. The large cumulonimbus were typically grouped within a cluster into one or more mesoscale precipitation features (or MPF’s), which were apparently triggered in mesoscale regions of intensified low‐level convergence. As an MPF matured it developed a region of stratiform precipitation adjacent to its active deep convective cells. The stratiform precipitation fell from the anvil cloud. Associated with the stratiform precipitation were a mesoscale downdraft below the anvil cloud and an apparent mesoscale updraft within the anvil cloud itself, above the mesoscale downdraft. These mesoscale drafts were distinct from the convective‐scale updrafts and downdrafts of the cumulus and cumulonimbus cells of the cluster. Downdrafts, both convective scale and mesoscale, filled the planetary boundary layer in the vicinity of cumulonimbus with stable air of low moist static energy. These wakes of downdraft air exerted a strong control on where future convection broke out. The results of GATE show that to simulate the effects of tropical convection in large‐scale numerical models of the atmosphere a variety of phenomena must be accounted for, including not only convective‐scale updrafts and downdrafts but anvil clouds with mesoscale updrafts and downdrafts, downdraft‐induced boundary layer transformations, and mesoscale convergence patterns. Experimentation with ways of including some of these features of tropical convection in large‐scale diagnostic and prognostic studies is under way, but much work remains to be done.