Entwicklung eines kohärenten und transilienten Parametrisierungsschemas für Turbulenz und Konvektion zur Verwendung in numerischen Wettervorhersagemodellen

Description: Normalerweise werden in Modellen zur numerischen Wettervorhersage subgitterskalige vertikale Bewegungen entweder durch ein Turbulenzschema oder ein Konvektionsschemaparametrisiert. Die Entscheidung basiert oft auf dem erwarteten vertikalen Ausmaß der Dynamik, die sich aus Auftriebs- oder Scherinstabilitäten ergibt: Wenn die Bewegung von kurzer vertikaler Reichweite ist und/oder sich auf die atmosphärische Grenzschichtbeschränkt, dann wird sie vom Turbulenzschema als Mischungsereignis behandelt. ImFalle eines größeren vertikalen Austauchs wird die Bewegung vom Konvektionsschema als ein vertikaler Transport mit Wolkenphysik, Auf- und Abwärtssrömungen und möglicherweise Niederschlag behandelt. Im Bewusstsein, dass es in der Natur keine scharfen Grenzen für solche Klassifikationen gibt, entsteht der Anspruch auf eine einheitliche oder kohärente Turbulenz- und Konvektionsparametrisierung. Das vorgeschlagene Projekt zielt auf die Entwicklung eines solchen Turbulenz- und Konvektionsparametrisierungsschemas ab. Um das Problem zu lösen, schlagen wir einen Ansatz vor, der Diffusionsterme (K-Ansatz) für lokale Turbulenz und konvektive Massenflussterme für unterschiedliche Konvektionszellen in nicht-lokaler Turbulenz und Konvektion kombiniert. Als intuitiven Formalismus werden wir die Transilient-Matrix-Methode anwenden, bei der jedes Matrixelement den Transport zwischen einer bestimmten Quell- und Zielschicht quantifiziert. In unserem Projekt wird der klassische Massenflussbegriff durch eine Form ersetzt, die den Nettomassentransport berücksichtigt. Eine zentrale Frage wird sein, wann und in welchem Umfang die turbulente / konvektive Zirkulation auf der Gitterskala aufgelöst wird. Mit anderen Worten, wann und wie viel Nettomassentransport parametrisiert werden soll. Sortiert man lokale Turbulenz, nicht-lokale Turbulenz, flache und tiefe Konvektion nach ihren räumlichen Skalen, wird deutlich, dass es je nach Gittergröße des Hosting-Modells einen mehr oder weniger fließenden Übergang von keinem zu vollständigem Nettomassentransport geben kann. Darüber hinaus müssen die beteiligten physikalischen Prozesse wie Thermodynamik, Wolkenbildung und Niederschlag durch physikalische Argumente und nicht durch modellgitterabhängige Entscheidungen gesteuert werden.Da global hochaufgelöste NWP-Modelle für die operationelle Anwendung rechnerisch zu teuer sind (und in Zukunft sein werden), muss sich numerische Wettervorhersage entweder auf eine Modellkette oder auf ein Multiskalenmodell mit Online-Verschachtelung stützen. Für beide Modellarten wird ein kohärentes und skalenadaptives Turbulenz- und Konvektionsschema den künstlichen Wechsel zwischen verschiedenen Parametriserungsschemata vermeiden. Im Rahmen des vorgeschlagenen Projekts werden wir das ICON-Modell des Deutschen Wetterdienstes als Entwicklungsumgebung verwenden, das Parametrisierungsschema wird jedoch in verallgemeinerter Form für die Implementierung in andere Vorhersagemodelle entwickelt.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Bewölkung ? Prognosemodell ? Wettervorhersage ? Wolke ? Planetarische Grenzschicht ? Klassifikation ? Niederschlag ? Umwelt ? Physikalischer Vorgang ? Wolkenbildung ? Auftrieb ? Thermodynamik ?

Region: Nordrhein-Westfalen

Bounding boxes: 6.76339° .. 6.76339° x 51.21895° .. 51.21895°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Deutsche Forschungsgemeinschaft (Finanzielle Förderung)
• Deutsche Forschungsgemeinschaft (Projektverantwortung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)

Time ranges: 2021-01-01 - 2025-11-24

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Development of a Coherent Transilient Turbulence and Convection (CTTC) parameterization scheme for use in numerical weather prediction models
  Description: Usually, in numerical weather prediction (NWP) models vertical subgrid scale motions are either parameterized by a turbulence scheme or a convection scheme. The decision is often based on the expected vertical extent of the dynamics resulting from buoyancy or shear instability: If the motion is of short vertical range and/or confined to the planetary boundary layer (PBL), then it is treated as a mixing event by the turbulence scheme. In case of a more extended vertical range, the motion is treated by the convection scheme as a vertical transport with cloud physics, up- and downdrafts and possibly precipitation. Being aware that there are no sharp limits for such classifications in nature, the claim for a unified or coherent turbulence and convection parameterization arises.The proposed project aims at the development of a unified and seamless, i.e. a coherent turbulence and convection parameterization scheme. To solve this problem, we propose an approach that combines eddy diffusivity (K-approach) terms for local turbulence and mass flux terms for a variety of convective plumes for nonlocal turbulence and convection. As an intuitive formalism we will apply the transilient matrix method, in which each matrix element quantifies the transport between a certain source and target layer.In our project, the classical mass flux term will be replaced by a form allowing for net mass transport. A central question will be, when and to which extent the turbulent / convective circulation is resolved on the grid scale. In other words, when and how much net mass transport is to be parameterized. Sorting local turbulence, nonlocal turbulence, shallow and deep convection by their spatial scales, it becomes clear that there may be a more or less smooth transition from no to full net mass transport depending on the grid size of the hosting model. Furtheron, the involved physical processes such as thermodynamics, cloud formation and precipitation have to be controlled by physical arguments rather than model grid dependent decisions. Depending on the grid size, net mass transport will seamlessly taken into account in the spatial regimes of nonlocalturbulence / shallow convection.Because globally high-resolved NWP models are (and still will be) computationally too expensive for operational application, NWP has to rely either on a model chain or a multi scale model with online nesting. For both types of operational NWP models a coherent and scale adaptive turbulence and convection scheme will avoid the artificial switching between different schemes depending on the expected spatial scale of the dynamics and the current grid scale.In the scope of the proposed project, we will use the ICON model of DWD as the development environment but keep the parameterization scheme in a generalized form for implementation in other NWP models as well. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1118001

Status

Aktiv

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