Influences of surface layer modelling approaches on model performance

Abstract

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.

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.