Diagnostic wind-downscaling with a mass consistent model using eta-coordinates

Die korrekte Darstellung von kleinskaligen Windfeldern, besonders über komplexer Topographie, stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar. In dieser Arbeit wird ein massenkonsistentes Windmodell entwickelt. Als Vertikalkoordinate dient die terrain-folgende, auf Druck basierende η Koordinate. Das Windmodell wird zuerst anhand einer idealisierten Simulation getestet und im Anschluss auf realen Daten angewendet. Als Eingabewindfeld dient eine 4 km WRF (Weather Research and Forecasting) Simulation. Dieses Windfeld wird auf ein 500 m Gitter mit genauerer Topographie interpoliert und mit Hilfe des massenkonsistenten Modells so angepasst, dass die Divergenz verschwindet. Um die Leistung des Modells zu quantifizieren, werden die Ergebnisse von vier Testfällen mit Bodenwetterbeobachtungen verglichen. Zusätzlich steht für den letzten Fall ein hochaufgelöstes Modell (1 km) zum Vergleich zur Verfügung. Um einen idealen Wert für den vertikalen Transmissionskoeffizienten α η zu finden, der das Ergebnis maßgeblich beeinflusst, werden verschiedene empirische Werte verwendet. Außerdem wird der Wert von α η in Abhän- gigkeit der Stabilität sowie der Standardabweichung des Eingabewindfeldes berechnet und die daraus resultierenden Windfelder analysiert. Insgesamt ist die Leistung des massenkonsistenten Modells stark abhängig von der Qualität und Auflösung der Eingabedaten sowie den vorherrschenden Wetterbedingungen. Die besten Resul- tate werden tagsüber bei stabilen Verhältnissen und starkem synoptischen Forcing erreicht. Die Wiedergabe der Windrichtung kann im Vergleich mit dem 4 km-Modell am stärksten verbessert werden, mit einer Reduktion des RMS-Fehlers von bis zu 30 ◦ . Gleichzeitig kommt es jedoch meist zu einer Erhöhung des BIAS der Windgeschwindigkeit. Generell zeigt diese Arbeit, dass das massenkonsistente Modell ein einfaches und sinnvolles Mittel sein kann um auf kleiner Skala die Interaktion von Wind und Topographie darzustellen sofern man gewisse Beschränkungen beachtet.Resolving small scale wind fields on high resolution topography is still a challenging task, espe- cially over complex terrain. In this work a mass consistent model using a pressure based terrain following vertical coordinate, the η coordinate, is developed. At first the model is tested in an idealized simulation and then applied to real data. As input a 4 km WRF (Weather Research and Forecasting) simulation is used. This wind field is then downscaled to a 500 m grid with more detailed topographic information and adjusted to fulfil mass conservation. To evaluate the performance of the model, four case studies in an area with very complex terrain, a region around Innsbruck, Austria, are conducted. For verification, the results of the mass consistent model are compared to near-ground observations. Additionally, comparisons are made with a prognostic model with a resolution of 1 km which was available for the last case. To find the ideal value for the vertical transmission coefficient α η which significantly influences the resulting fields, different empirical values are applied. Furthermore, formulas that link α η to stability and standard deviation of the input wind field are used and the results analyzed. Overall, the performance of the mass consistent model strongly depends on the quality and reso- lution of the input data, the prevailing weather conditions and the choice of α η . Best results are achieved for stable stratification during day time when strong synoptic forcing is present. The improvement compared to the 4 km-model is highest in terms of wind direction where the root mean square error (RMSE) can be reduced by up to 30 ◦ . However, decreasing the error in wind direction often results in an increased wind speed BIAS. In general, this work demonstrates that, keeping restrictions and limits in mind, the mass con- sistent model can be a simple and useful tool to resolve the interaction of wind with small scale topography