Entwicklung eines kohärenten und transilienten Parametrisierungsschemas für Turbulenz und Konvektion zur Verwendung in numerischen Wettervorhersagemodellen

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Bott
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460816630

Normalerweise werden in Modellen zur numerischen Wettervorhersage subgitterskalige vertikale Bewegungen entweder durch ein Turbulenzschema oder ein Konvektionsschemaparametrisiert. Die Entscheidung basiert oft auf dem erwarteten vertikalen Ausmaß der Dynamik, die sich aus Auftriebs- oder Scherinstabilitäten ergibt: Wenn die Bewegung von kurzer vertikaler Reichweite ist und/oder sich auf die atmosphärische Grenzschichtbeschränkt, dann wird sie vom Turbulenzschema als Mischungsereignis behandelt. ImFalle eines größeren vertikalen Austauchs wird die Bewegung vom Konvektionsschema als ein vertikaler Transport mit Wolkenphysik, Auf- und Abwärtssrömungen und möglicherweise Niederschlag behandelt. Im Bewusstsein, dass es in der Natur keine scharfen Grenzen für solche Klassifikationen gibt, entsteht der Anspruch auf eine einheitliche oder kohärente Turbulenz- und Konvektionsparametrisierung. Das vorgeschlagene Projekt zielt auf die Entwicklung eines solchen Turbulenz- und Konvektionsparametrisierungsschemas ab. Um das Problem zu lösen, schlagen wir einen Ansatz vor, der Diffusionsterme (K-Ansatz) für lokale Turbulenz und konvektive Massenflussterme für unterschiedliche Konvektionszellen in nicht-lokaler Turbulenz und Konvektion kombiniert. Als intuitiven Formalismus werden wir die Transilient-Matrix-Methode anwenden, bei der jedes Matrixelement den Transport zwischen einer bestimmten Quell- und Zielschicht quantifiziert. In unserem Projekt wird der klassische Massenflussbegriff durch eine Form ersetzt, die den Nettomassentransport berücksichtigt. Eine zentrale Frage wird sein, wann und in welchem Umfang die turbulente / konvektive Zirkulation auf der Gitterskala aufgelöst wird. Mit anderen Worten, wann und wie viel Nettomassentransport parametrisiert werden soll. Sortiert man lokale Turbulenz, nicht-lokale Turbulenz, flache und tiefe Konvektion nach ihren räumlichen Skalen, wird deutlich, dass es je nach Gittergröße des Hosting-Modells einen mehr oder weniger fließenden Übergang von keinem zu vollständigem Nettomassentransport geben kann. Darüber hinaus müssen die beteiligten physikalischen Prozesse wie Thermodynamik, Wolkenbildung und Niederschlag durch physikalische Argumente und nicht durch modellgitterabhängige Entscheidungen gesteuert werden.Da global hochaufgelöste NWP-Modelle für die operationelle Anwendung rechnerisch zu teuer sind (und in Zukunft sein werden), muss sich numerische Wettervorhersage entweder auf eine Modellkette oder auf ein Multiskalenmodell mit Online-Verschachtelung stützen. Für beide Modellarten wird ein kohärentes und skalenadaptives Turbulenz- und Konvektionsschema den künstlichen Wechsel zwischen verschiedenen Parametriserungsschemata vermeiden. Im Rahmen des vorgeschlagenen Projekts werden wir das ICON-Modell des Deutschen Wetterdienstes als Entwicklungsumgebung verwenden, das Parametrisierungsschema wird jedoch in verallgemeinerter Form für die Implementierung in andere Vorhersagemodelle entwickelt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen