Parameterization of canopy processes for atmospheric models

Abstract

Urban and forest canopies have strong effects on boundary layer meteorology by modifying wind and turbulence characteristics, the surface energy balance, and air quality, which further influence weather and climate at various scales. To better understand the interaction between the canopy and the atmosphere, and to investigate the influence of canopies on the Earth's climate system and climate change, it is important to introduce canopies into numerical atmospheric models. This thesis aims to develop a Generalized Canopy Parameterization (GeCap) that is able to represent the most important canopy effects in various high-resolution atmospheric models in a simple, efficient, and generalized way.

A comprehensive analysis was conducted on the forest canopy effects (FCEs) and urban canopy effects (UCEs) on aerodynamics, thermodynamics, hydrology, and air quality. Secondly, a qualitative assessment of FCEs and UCEs compared to grass-covered surfaces was performed to identify the similarities between the FCEs and UCEs, which can be represented by the GeCap in a unified way. Based on this analysis, a conceptual model for GeCap was developed. The conceptual model emphasizes the connections between canopy characteristics, processes, fluxes, and the canopy effects on the atmosphere, and provides a methodological framework for an integrated analysis of the properties and dynamics of the canopy system.

Based on the conceptual model, a numerical parameterization of the GeCap model was developed by using a nudging approach, aiming to represent the impacts of urban canopies on airflow. The parameterization adds a nudging term as a sink term in the momentum equation and a source term to the turbulent kinetic energy equation to account for building effects. Three-dimensional urban morphology is represented by the weighting function in the nudging term. The developed parameterization is implemented in the mesoscale atmospheric model METRAS and first tested with idealized urban morphology. By using data from an obstacle resolving model as comparison datasets, the parameterization effects were assessed, and the comparison results indicate that GeCap using the extended nudging approach can effectively capture canopy-induced aerodynamic effects, such as the wind-blocking effects and turbulence production by buildings, as well as the vertical characteristics of mean wind speeds and turbulence within urban canopies.

To further represent both aerodynamic and thermodynamic urban canopy effects, a nudging term has been added to the thermodynamic energy equation. The parameterization is then employed with realistic urban morphology for the city of Hamburg. Model results demonstrate that GeCap can accurately simulate the urban heat island effects (UHI) and the negative relationship between wind speeds and the UHI intensity.

This study presents GeCap, a generalized canopy parameterization based on the nudging concept, as a useful tool for representing urban canopy effects in high-resolution atmospheric models. GeCap can be implemented in models with various scales, structural, and computational constraints, yet will accurately represent the most important canopy effects. GeCap's effectiveness and simplicity suggest its applicability for different types of canopies, as well as for various global- and regional-scale weather and climate models.

Städte und Wälder beeinflussen stark die bodennahe atmosphärische Grenzschicht, indem sie die Bewegung der Luft durch Hindernisse (Gebäude und Bäume) beeinflussen, die Oberflächenenergiebilanz modifizieren und die Luft-qualität verändern – was direkte Auswirkungen auf das Wetter und das Klima auf verschiedenen Skalen hat. Um die Wechselwirkung zwischen Prozessen in der Hindernisschicht und der darüber befindlichen Atmosphäre besser zu verstehen und den Einfluss der Hindernisschicht auf das Klimasystem sowie auf den Klimawandel zu untersuchen, ist es wichtig, eine Hindernisschicht in numerische atmosphärische Modelle einzuführen. Ziel dieser Arbeit ist es, eine allgemeine Hindernisschicht-Parameterisierung (Generalized canopy parameterization, GeCap) zu entwickeln, um in verschiedenen hochauflösenden atmosphärischen Modellen auf einfache, effiziente und allgemeine Weise die wichtigsten Effekte von Hindernissen auf die Atmosphäre darzustellen.

Zunächst wurde eine umfassende Analyse durchgeführt, um die Effekte von Wäldern (forest canopy effects, FCEs) und Städten (urban canopy effects, UCEs) auf Aerodynamik, Thermodynamik, Hydrologie und Luftqualität zu analysieren. Anschließend wurde eine qualitative Bewertung der FCEs und UCEs im Vergleich zu Grasland durchgeführt, um Ähnlichkeiten zwischen den FCEs und UCEs zu identifizieren. Diese Ähnlichkeiten können durch die Parameterisierung auf einheitliche Weise dargestellt werden. Danach wurde ein konzeptionelles Modell für GeCap entwickelt. Dieses Modell versucht, die Verbindungen zwischen den Eigenschaften, Prozessen, Flüssen und den Effekten von Hindernissen auf die Atmosphäre darzustellen und bietet einen Rahmen für eine integrierte Analyse der Eigenschaften und Dynamik des Hindernissystems.

Auf Basis des konzeptionellen Modells wurde GeCap numerisch realisiert, um die aerodynamischen Auswirkungen von Städten darzustellen. Hierbei wurde ein Nudging-Ansatz verwendet, bei dem ein Nudging-Term als Senken-Term in die Impulsgleichung und ein Quellterm in die turbulente kinetische Energie-Gleichung eingefügt wurden, um die Wirkung von Gebäuden zu berücksichtigen. Die dreidimensionale Stadtmorphologie wird durch die Gewichtungsfunktion im Nudging-Term repräsentiert. Die Parameterisierung wurde in das mesoskalige atmosphärische Modell METRAS implementiert und zunächst mit idealisierten städtischen Morphologien getestet. Mithilfe von Daten eines hindernissauflösenden Modells als Vergleichsdatensatz wurden die Parameterisierungeffekte evaluiert. Die Vergleiche zeigen, dass GeCap mithilfe des Nudging-Ansatzes effektiv die von Städten verursachten aerodynamischen Effekte wie Windblockadeffekte und die Turbulenzproduktion durch Gebäude sowie die vertikalen Charakteristika der mittleren Windgeschwindigkeiten und der Turbulenz innerhalb urbaner Hindernisschichten erfassen kann. Um sowohl aerodynamische als auch thermodynamische städtische Effekte darzustellen, wurde ein Nudging-Term zu der thermodynamischen Energiegleichung hinzugefügt. Dann wurde die Parameterisierung mit einer realistischen städtischen Morphologie der Stadt Hamburg angewendet. Die Modellergebnisse zeigen, dass GeCap den urbanen Wärmeinsel-Effekt (UHI) und die negative Beziehung zwischen Windgeschwindigkeit und UHI-Intensität effektiv simuliert.

Zusammenfassend stellt diese Studie GeCap, eine allgemeine Hindernisschicht-Parameterisierung basierend auf dem Nudging-Konzept, als ein nützliches Werkzeug zur Berücksichtigung städtischer Effekte in hochauflösenden atmosphärischen Modellen vor. GeCap ist sowohl einfach genug, um in Modellen mit verschiedenen Skalen, Strukturen und Rechenbeschränkungen einfach implementiert zu werden, als auch komplex genug, um die wichtigsten Effekte von Dächern genau darzustellen. Die Effizienz und Einfachheit von GeCap deuten auf ihre Anwendbarkeit für verschiedene Hindernisarten in verschiedenen globalen und regionalen Wetter- und Klimamodellen hin.