FAQ
© 2015 Staats- und Universitätsbibliothek
Hamburg, Carl von Ossietzky

Öffnungszeiten heute09.00 bis 24.00 Uhr alle Öffnungszeiten

Eingang zum Volltext in OPUS

Hinweis zum Urheberrecht

Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-48720
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2010/4872/


Influences of surface layer modelling approaches on model performance

Beschreibung heterogener Oberflächen in Modellen und ihr Einfluss auf die Ergebnisse

Ries, Hinnerk

Originalveröffentlichung: (2010) Ries, H. and K. H. Schlünzen (2009): Evaluation of a mesoscale model with different surface parameterizations and vertical resolutions for the bay of Valencia. Monthly Weather Review, 137(8), 2646–2661. Ries, H., H. Schlünzen, B. Brümmer, M. Claussen and G. Müller (2010): Impact of surface parameter uncertainties on the development of a trough in the Fram Strait region. Tellus A, 62, 377 – 392.
pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (9.940 KB) 


SWD-Schlagwörter: Meereis , mesoskaliges Model , Cyclone , Land-See-Wind , vertikale Auflösung , Bodenmodell
Freie Schlagwörter (Englisch): SEA-ICE ZONE , MESOSCALE MODEL , CYCLONE , LAND-SEA BREEZE , VERTICAL RESOLUTION , LAND-SURFACE-MODEL
Basisklassifikation: 38.84
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Schlünzen, K. Heinke (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 07.07.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 22.11.2010
Kurzfassung auf Englisch: In this thesis the impact of surface layer modelling on the development of atmospheric phenomena is investigated. The main objective is to determine well suited model setups for the surface layer. The specifications are based on sensitivity studies of the number of atmospheric vertical levels, on the choice of the land surface model
and on various ground parameters for a variety of atmospheric situations. To some extent mesoscale systems are always exposed to the synoptic scale forcing. As in this thesis only real-case scenarios are investigated, the model performance is assessed in relation to the dominating scale of the meteorological situation, its representation
in the driving model and its consideration by the mesoscale model in form of initial values and boundary value nudging. Thus, another objective of this thesis is to give a recommendation on an appropriate nudging strength in dependence of the dominating scale of the meteorological situation.
The impact of the number of atmospheric vertical levels and of the land surface model used is investigated with two different setups of the fifth-generation Pennsylvania State University–NCAR Mesoscale Model (MM5) for the bay of Valencia. In this region the predominant mesoscale circulation is the land-see-breeze. Setup M1 is characterised by 34 atmospheric vertical sigma levels combined with a five-ayer
land surface model (5L LSM). M2 has 52 levels and the Noah LSM is used. Results
of 71 forecasts of 2006 are evaluated with a focus on the accuracy of meteorological surface data. The accuracy improves for all meteorological parameters except
pressure with the M2 setup. Detailed analysis of results for 4 days simulated with
all combinations of vertical resolutions and LSMs shows that the increase of vertical resolution is responsible for the improved forecast performance. The Noah LSM generally improves temperature performance, but reduces the performance of all other
parameters, especially for days with sea-breeze conditions.
After this general evaluation of two land surface models, a more detailed investigation is performed on the influence of single surface parameters. The sea-ice
characteristics sea-ice distribution, roughness, temperature and thermal conductivity
are varied within the range of observational uncertainty. Their impacts are studied
by investigating an on-ice moving trough in the Fram Strait for 7th March 2002.
The situation is simulated with the mesoscale transport and flow model METRAS.
The forcing is taken from “European Centre for Medium-Range Weather Forecasts”
(ECMWF) reanalyses and is applied with two different nudging intensities. The
reanalyses, however, show some deficiencies in the representation of near-ground in-
versions and of the sea-ice distribution. A new vertical interpolation is therefore
developed to properly transfer ECMWF reanalyses to the METRAS grid. The test
cases are evaluated against aircraft measurements taken within the “Fram Strait Cyclone Experiment 2002”. The findings are generalised to other than synoptic scale
situations by simulating the passage of a cyclone family through the same domain
on 13th March 2002.
The nudging intensity shows the strongest effect on the limited area model performance. The most important sea-ice characteristic is the sea-ice distribution followed
by sea-ice temperature and roughness. Thermal conductivity of the sea ice played
only a minor role.
As the link between surface characteristics and near-ground processes the turbulent fluxes are of primary importance. They are investigated for an off-ice flow situation in the Fram Strait for 15th March 2002 by assessing the simulated surface fluxes with the fluxes measured at aircraft height. With their comparably good simulation quality,
a strong hint is given that the standard meteorological parameters are simulated
realistically as consequence of realistic near-ground processes and hence well chosen
surface parameters.
Kurzfassung auf Deutsch: In dieser Arbeit wird der Einfluss der Modellierung der Prandtl-Schicht auf die Entwicklung atmosphärischer Phänomene untersucht. Die Hauptzielsetzung ist, gut geeignete Modelleinstellungen für die Prandtl-Schicht zu spezifizieren. Die Spezifikationen basieren auf Sensitivitätsstudien zur Anzahl atmosphärischer vertikaler Schichten, zur Wahl des Landoberflächenmodells und zu verschiedenen Oberflächenparametern für eine Vielzahl von atmosphärischen Situationen. Zu einem gewissen Grad werden alle mesoskaligen Systeme dem synoptisch-skaligen Antrieb ausgesetzt.
Da in dieser Arbeit nur realistische Szenarien untersucht werden, wird die Modellgüte in Relation zur Stärke der synoptisch skaligen Situation bewertet. Außerdem wird die Modellgüte des antreibenden Modells und die Stärke des Antreibens durch Anfangs- und Randwerte ber¨cksichtigt. Folglich ist eine weitere Zielsetzung dieser Arbeit, eine Empfehlung uber eine passende Antriebsst¨rke in Abhängigkeit von der Stärke der synoptisch skaligen Situation zu geben.
Die Auswirkungen der verwendeten Anzahl von atmosphärischen vertikalen Schichten und des benutzten Landoberflächenmodells werden mit zwei unterschiedlichen Modelleinstellungen des Mesoskaligen Modells der fünften Generation der Pennsylvania State University und dem National Center for Atmospheric Research (MM5)
für die Bucht von Valencia untersucht. In dieser Region ist die vorherrschende mesoskalige Zirkulation der Land-See-Wind. Modelleinstellung M1 ist durch 34 atmosphärische vertikale Sigma-Schichten, kombiniert mit dem Fünfschicht Land- Oberflächenmodell (5L LSM) gekennzeichnet. Modelleinstellung M2 hat 52 Schichten und das Noah Land-Oberflächenmodell (Noah LSM) wird verwendet. Ergebnisse von 71 Vorhersagen aus 2006 werden an Hand von Messungen oberflächennaher meteorologischer Standardparameter evaluiert. Mit der Modelleinstellung M2 verbessert
sich die Genauigkeit für alle meteorologischen Parameter mit Ausnahme des Drucks. Eine ausführliche Analyse der Resultate für 4 Tage, die mit allen Kombinationen der vertikalen Auflösungen und des LSMs simuliert werden, zeigt, dass die Zunahme der vertikalen Auflösungen für die verbesserte Vorhersage verantwortlich ist. Das Noah LSM verbessert generell die Vorhersagegüte der Temperatur, verringert aber
die Güte aller anderen Parameter, besonders für Tage mit See-Wind.
Nach dieser allgemeinen Auswertung zweier Landoberflächenmodelle wird eine ausführlichere Untersuchung über den Einfluss einzelner Oberflächenparameter durchgeführt. Die Meereis Eigenschaften Meereis-Verteilung, Rauhigkeit, Temperatur und Wärmeleitfähigkeit werden innerhalb des Bereiches der Beobachtungsungenauigkeit variiert. Ihre Auswirkungen werden an Hand eines sich aufeisig bewegenden Trogs in
der Fram Straße vom 7 März 2002 untersucht. Die Situation wird mit dem mesoskaligen Transport- und Strömungsmodell METRAS simuliert. Als großskaliger Antrieb werden Reanalysen des “Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage” (ECMWF) in zwei unterschiedlichen Antriebsstärken verwendet. Die Reanalysen
azeigen jedoch einige Mängel in der Darstellung der bodennahen Inversion und der Meereis-Verteilung. Um die ECMWF Reanalysen geeignet auf das METRAS Gitter zu interpolieren, wird deshalb eine neue Vertikalinterpolation entwickelt. Die Testfälle werden anhand von Flugzeugmessungen bewertet, die innerhalb des “Fram-Straßen-Zyklonen Experiments 2002” durchgeführt worden sind. Die Erkentnisse werden mit Hilfe des Durchzugs einer Zyklonenfamilie am 13. März 2002 auf andere als synoptischskalige Situationen verallgemeinert.
Den stärksten Einfluss auf die Güte eines atmosphärischen Ausschnittsmodells hat die Stärke des großskaligen Antriebs über die offenen Ränder des Modellgebietes. Die wichtigste Meereis Eigenschaft ist die Verteilung, gefolgt vom Einfluss der Meereis Temperatur und der Rauhigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit des Meereises spielt nur eine untergeordnete Rolle.
Als Verbindung zwischen Oberflächeneigenschaften und oberflächennahen Prozessen sind die turbulenten Flüsse von zentraler Bedeutung. Sie werden für eine Situation mit abeisiger Strömung in der Fram Straße für den 15. März 2002 untersucht, indem die simulierten Oberflächenflüsse mit den Flüssen verglichen werden, die in Flugzeughöhe gemessen wurden. Mit ihrer vergleichbar guten Simulationsqualität ist ein starker Hinweis gegeben, dass die meteorologischen Standardparameter auf
Grund von realistischen oberflächennahen Prozessen realistisch simuliert werden und folglich die Oberflächenparameter gut gewält sind.


Zugriffsstatistik

keine Statistikdaten vorhanden
Legende