Evaluation of a high-resolution numerical weather prediction model in complex terrain

Die numerische Wettervorhersage erfuhr weitreichende Verbesserungen in den letzten Jahren: Die horizontale Maschenweite liegt nun bei ca. 1 km, und sie sind heutzutage fähig gebirgiges Gelände aufzulösen, was zu einer besseren Darstellung der atmosphärischen Grenzschicht führt. Allerdings bringt das nicht automatisch eine bessere Modellperformance: Die Parameterisierungen des Modells sind nicht für komplexes Gelände angepasst, weil sie für horizontal homogenes, flaches Gelände entwickelt wurden. In dieser Arbeit wird die eindimensionale Turbulenzparameterisierung des operationellen numerischen Wettervorhersagemodells COSMO evaluiert. Das ist möglich mit dem Langzeit-Beobachtungsnetz “i-Box” im Inntal, das für Fallstudien von Tagen und Nächten, an denen sich eine thermisch induzierte Windzirkulation entwickelt und Grenzschichtprozesse dominieren, herangezogen wurde. Eine prozessbasierte TKE-Budget-Analyse zeigt dass die erfolgreiche Simulation der TKE von sowohl dem Ort als auch von dem dominaten TKE-Budgetterm abhängt. Während thermisch-dominierter TKE-Produktion wurde die TKE gut simuliert, aber während starker Talwindphasen mit Scherungsproduktion wurde sie unterschätzt. Während der Nacht an Hängen scheiterte das Modell, überhaupt TKE zu simulieren. Wenn die selben Fallstudien mit einer “hybriden” Turbulenzparamterisierung, die auch horizontale Scherung und TKE-Advektion berücksichtigt, simuliert werden, wird die Modellperformance besser. Die TKE wurde während der Talwindphasen gut simuliert, weil die horizontale Scherungsproduktion berücksichtigt wurde, und das Modell konnte nun auch TKE während der Nacht produzieren. Allerdings basiert die horizontale Mischungslänge nur auf einer Konstante und der Maschenweite, was für ein mesoskaliges Modell unphysikalisch ist. Deswegen wurde eine neue Mischungslänge entwickelt, die aus einer Parameterisierung der Langrangeschen integralen Zeitskala, multipliziert mit den Windkomponenten, besteht. Das hat zu einer horizontalen Mischungslänge geführt die einen echten physikalischen Hintergrund hat und sowohl in Raum als auch in Zeit variiert. Vergleiche mit der hybriden Turbulenzparameterisierung zeigen dass die neue Mischungslänge horizontale Scherungsproduktion während der Talwindphasen, wenn es erforderlich ist, simulieren kann. Desweiteren zeigen Vertikalprofile und Querschnitte dass die neue Mischungslänge möglicherweise eine realistischere Grenzschicht über gebirgigem Gelände simuliert als die eindimensionale Turbulenzparamterisierung. Zusammenfassend kann man sagen dass horizontale Effekte für die korrekte Simulation über komplexem Gelände essentiell sind, aber dass ihr physikalischer Hintergrund für die realistische Darstellung der beteiligten Grenzschichtprozesse wichtig ist.Numerical weather prediction (NWP) has undergone vast improvements in recent years: At a horizontal grid spacing of around 1 km, they are nowadays able to resolve mountainous terrain, leading to a better representation of the atmospheric boundary layer (ABL). This does not automatically bring better model performance: The models parameterizations are not suitable for applications over complex terrain, because they were developed for horizontally homogeneous and flat terrain. In this work, the 1D turbulence parameterization of the operational NWP model COSMO is evaluated in detail. This is possible with the long-term i-Box observational network in the Inn Valley, which was used for case studies of days and nights, when a thermally-induced wind circulation develops and ABL processes dominate. A process-based TKE budget analysis shows that the successful simulation of TKE depends on both the location and the dominant TKE production term. During buoyancy-dominated TKE production the TKE was well-simulated, but it was underestimated during up-valley wind phases dominated by shear production. During night-time on slopes, the model failed to simulate any TKE at all. When the same case studies were simulated with a “hybrid” turbulence parameterization, including horizontal shear production and TKE advection, the model performance improved. The TKE was simulated well during up-valley wind phases, because horizontal shear production was included, and the model was able to produce TKE during the night-time. However, the horizontal length scale in the model is only based on a constant and the mesh size, which is unphysical a meso-scale model. Therefore, a new horizontal length scale consisting of a parameterization of the Lagrangian Integral Timescale multiplied with the wind components was developed. This led to a horizontal length scale with a physical background, which is variable in both time and space. Comparisons with the hybrid turbulence parameterization show that the new length scale is able to simulate horizontal shear production successfully when it is required namely, during up-valley wind phases. Furthermore, vertical profiles and cross-sections show that the new horizontal length scale is likely to simulate much more realistic ABL than the 1D turbulence parameterization. To summarize, horizontal effects are essential for the correct simulation of the ABL over complex terrain, but their physical background is important for the representation of the contributing ABL processes.by Brigitta GogerKumulative Dissertation aus vier ArtikelnAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZusammenfassung in deutscher SpracheUniversity of Innsbruck, Dissertation, 2018OeBB(VLID)309449