Modelling winter precipitation heterogeneities within an urban area

Abstract

Urban areas impact the distribution of rain and snow on ground. Precipitation heterogeneities also occur on the neighbourhood scale, which covers areas of O(1 km²). Despite increasing mean temperatures due to global climate change, snow will remain a feature of winter in warm temperate climate cities. Snow fall events impact human health and comfort. Adaptation measures for summer could have adverse effects in winter. For investigations of urban effects on winter precipitation, high-resolution data is required, which can be generated using numerical modelling. This data should realistically represent a winter event in a warm temperate climate city. In this thesis, the model complexity needed for a realistic representation is assessed. A winter precipitation scheme considering precipitating rain and snow as well as snow cover was added to the microscale, obstacle-resolving model MITRAS. The schemes were chosen by taking pre-existing parameterisations within the model system, model scale and intended use cases into account. A three-category bulk water-continuity model designed for warm clouds was already applied in the model system. For considering building walls properly, the diffusion of scalars was adjusted and boundary conditions for water content variables at obstacle surfaces were introduced. The cloud microphysics parameterisation was extended with a one-category ice scheme designed for mixed-phase clouds, that includes precipitating snow. Snow cover on ground was realised using a single layer snow cover scheme. The winter precipitation scheme was validated by comparing the results of different model versions using hit rates. For the hit rates of temperature, radiation, and precipitation, threshold values were estimated based on computational accuracy leading to strict accuracy criteria to detect programming errors. The deviation thresholds are 0.02 m/s (5 %) for the wind components, 0.05 K (0.02 %) for temperature, 0.5 W/m² (0.5 %) and 0.5 W/m² (0.2 %) for the net long and short wave radiation, and 0.001 mm (1 %) for precipitation on ground. The comparisons reveal expected differences and show that the extended model produces plausible results. The extended model is suitable for representing winter precipitation. Sensitivity studies were performed for different initial wind speeds, precipitation amounts, wind directions, temperatures, and domain configurations using either a cloud microphysical parameterisation suited for warm clouds or mixed-phase clouds. The city structure is found to impact the precipitation pattern on ground. There are high-reaching effects of buildings on atmospheric mixing and cloud processes and non-linear effects of buildings and orography. In case of snow fall, more small-scale variations of precipitation on ground on a building scale (O(10 m)) caused by building induced winds are found. This is due to the lower sedimentation speed of snow compared to rain. Snow melt is found to be affected by neighbouring water surfaces and temperature advection by street canyon circulations. For a realistic representation of a winter event within the canopy layer of a warm temperate climate city, the city's topography (i.e. buildings and orography) should be resolved and the sedimentation speed of snow and rain should be simulated. In addition, water surfaces should be considered.

Städte beeinflussen die Verteilung von Regen und Schnee am Boden. Heterogenitäten im Niederschlag treten auch auf der Nachbarschaftsskala auf, die ein Gebiet von O(1 km²) umfasst. Trotz ansteigender Temperaturen aufgrund des globalen Klimawandels wird Schnee weiterhin eine Rolle in Städten im warmgemäßigten Klima spielen. Niederschlagsereignisse mit Schnee wirken sich auf Gesundheit und Komfort aus. Anpassungsmaßnahmen für den Sommer könnten im Winter unerwünschte Auswirkungen haben. Um den Einfluss urbaner Effekte auf Winterniederschlag zu untersuchen, sind hochaufgelöste Daten notwendig, die mittels numerischer Modellierung hergestellt werden können. Diese Daten sollten in der Lage sein, ein Winterereignis in einer Stadt im warmgemäßigten Klima realistisch zu repräsentieren. In dieser Arbeit wird die notwendige Modellkomplexität für eine realistische Repräsentation untersucht. Ein Winterniederschlagsschema, das Regen und Schnee als Niederschlag sowie Schneebedeckung berücksichtigt, wurde dem mikroskaligen, hindernisauflösenden Modell MITRAS hinzugefügt. Für die Auswahl der Schemas wurden bereits existierende Parameterisierungen im Modellsystem, die Modellskala und die beabsichtigten Anwendungsfälle berücksichtigt. Im Modellsystem wird bereits ein Drei-Kategorien-Bulk-Modell für warme Wolken verwendet. Um Gebäudewände korrekt mit einzubeziehen, wurde die Diffusion von Skalaren angepasst und Randbedingungen an Gebäudewänden für Wassergehaltsvariablen wurden eingeführt. Die Parameterisierung der Wolkenmikrophysik wurde durch ein Ein-Kategorie Eisschema erweitert, das Schnee als Niederschlag beinhaltet und sich für Mischphasenwolken eignet. Schneebedeckung am Boden wurde mit einem Schneeschema umgesetzt, in dem eine einzelne Schneelage angenommen wird. Das Winterniederschlagsschema wurde validiert, indem die Ergebnisse verschiedener Modellversionen mittels Trefferquoten verglichen wurden. Für die Trefferquoten von Temperatur, Strahlung und Niederschlag wurden Schwellwerte abgeschätzt, die auf der Rechengenauigkeit beruhen. Das führte zu einem strikten Vergleichskriterium um Programmierfehler zu entdecken. Die Schwellwerte für die Abweichungen sind 0,02 m/s (5 %) für die Windkomponenten, 0,05 K (0,02 %) für die Temperatur, 0,5 W/m² (0,5 %) und 0,5 Wm² (0,2 %) für die netto Lang- und Kurzwellenstrahlung und 0,001 mm (1 %) für den Niederschlag am Boden. Die Vergleiche offenbaren die zu erwartenden Unterschiede und zeigen, dass das erweiterte Modell plausible Resultate erzeugt. Das erweiterte Modell ist dafür geeignet, Winterniederschlag zu repräsentieren. Sensitivitätstudien für verschiedene Anfangswindgeschwindigkeiten, Niederschlagsmengen, Windrichtungen, Temperaturen und Gebietsanordnungen wurden durchgeführt. Dabei wurde entweder die wolkenmikrophysikalische Parameterisierung für warme Wolken oder für Mischphasenwolken angewendet. Es stellte sich heraus, dass die Stadtstruktur sich auf das Niederschlagsmuster am Boden auswirkt. Es gibt hoch-reichende Effekte von Gebäuden auf die atmosphärische Durchmischung und auf die Wolkenprozesse sowie nichtlineare Effekte von Gebäuden und Orographie. Im Falle von Schnee wurden häufiger kleinskalige Variationen des Niederschlags am Boden auf der Gebäudeskala (O(10 m)) gefunden, die von Gebäuden erzeugten Winden verursacht wurden. Der Grund ist die geringere Sedimentationsgeschwindigkeit von Schnee. Es hat sich gezeigt, dass das Schmelzen von Schnee durch benachbarte Wasserflächen und durch Temperaturadvektion aufgrund von Straßenschluchtzirkulationen beeinflusst wird. Für eine realistische Repräsentation eines Winterereignisses innerhalb der Hindernisschicht einer Stadt im warmgemäßigten Klima sollte die Topographie der Stadt (d.h. Gebäude und Orographie) aufgelöst werden und die Sedimentationsgeschwindigkeiten von Schnee und Regen sollten simuliert werden. Zusätzlich sollten Wasserflächen berücksichtigt werden.