Entwicklung eines kohärenten und transilienten Parametrisierungsschemas für Turbulenz und Konvektion zur Verwendung in numerischen Wettervorhersagemodellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die korrekte Darstellung subgitterskaliger Prozesse in numerischen Wettervorhersage-(NWV)-Modellen ist entscheidend für die Vorhersagequalität. Als wichtige subgitterskalige Prozesse sind Konvektion und Turbulenz dynamisch ähnlich und legen daher eine gemeinsame Parametrisierung nahe. Da in den derzeitigen NWV-Modellen die konzeptionellen Probleme bei teilweiser Auflösung konvektiver Transporte auf der Gitterskala erfolgreich durch subgitterskaligen Massetransport gelöst werden konnten (Konvektionsschema HYMACS), erscheint es naheliegend, diesen Massetransport auch für das Turbulenzschema einzuführen und beide Schemata zu vereinigen. Als Turbulenzschema haben wir NLT3D gewählt, das speziell für Gittergrößen inklusive derer, die teilweise aufgelöste Prozesse enthalten, entwickelt wurde. Das neue ”Kohärente transiliente Turbulenz- und Konvektionsschema” (CTTC) wurde in drei Schritten entwickelt: Zuerst wurde HYMACS und insbesondere sein subgitterskaliger Massetransport in die neue Version des ICON-Modells (DWD) implementiert, das das für spätere Tests mit unterschiedlichen Gittergrößen wichtige Online-Nesting erlaubt. Zweitens wurde das in Fallstudien im WRF-Modell (NCAR/UCAR, USA) erfolgreich getestete NLT3D-Schema in ICON integriert. Für eine repräsentativere Validierung von NLT3D wurde das Schema ausgiebig getestet und in einer dreimonatigen Simulation im Frühjahr mit eine Vielzahl von verschiedenen Wetterlagen mit operationellen Messdaten und klassischen Turbulenzschemata verglichen. Dabei zeigte sich, dass insbesondere die Niederschlagsvorhersage von NLT3D profitiert und auch die simulierten bodennahen nächtlichen Temperaturen und Feuchten verbessert werden konnten, wozu eine korrekte Modellierung der stabilen Grenzschicht erforderlich ist. Kleinskalige relative Strukturen werden mit NLT3D tendenziell realistischer simuliert. Die Wiedergabe des bodennahen Windfeldes, die allgemein anspruchsvoller ist, gelingt allerdings noch etwas schlechter als im klassischen Fall. Im dritten Schritt wurden beide Schemata vereinigt: Sie wurden subgitterskalig gekoppelt, wobei konvektiver Auftrieb und Scherung an das Turbulenzschema und im Gegenzug turbulente Auslösung an des Konvektionsschema übergeben wird. NLT3D wurde um den turbulenten Netto-Massetransport erweitert, der mittels transilienter Matrix ähnlich zum Spurenstofftransport formuliert ist. Dies macht den Spurenstofftransport und insbesondere die horizontale Ausbreitung in der Höhe realistischer. Der Netto-Massetransport steigt dabei mit dem Verhältnis Wirbelgröße zu vertikaler Gittergröße, wodurch das CTTC-Schema skalenadaptiv wird.
