WP-P1: Gefrorenes Wasser in Atmosphäre und auf dem Boden

Projektziele:

Die derzeit verfügbare Wolkenmikrophysikparametrisierung in PALM, welche nur die Flüssigphase von Wolkenwasser berücksichtigt, wird durch die Eisphase nach Seifert und Beheng (2006) erweitert. Eine Kopplungsmöglichkeit an Wolken- und Niederschlagsdaten aus COSMO ist damit bereits gewährleistet, da hierbei die gleichen Parametrisierungen verwendet werden. Dadurch können wolkenphysikalische Informationen und Variablen direkt aus COSMO in PALM-4U übernommen werden. Die Implementierung umfasst hierbei die Berücksichtigung von wachsenden Eiskristallen, Schneeflocken, Graupel, und deren Interaktion mit Flüssigwasser sowie die Deposition auf Oberflächen. Nach erfolgter Implementierung soll die neue Parametrisierung für bekannte und gut dokumentierte Standardfällen (Morrison et al. 2011) getestet und validiert werden.

Eine Schneedeckenparametrisierung wird gemäß dem Schema aus dem ECMWF (Dutra et al. 2009, Dutra et al. 2010) in PALM-4U implementiert um Schneedecken auf Oberflächen und die damit verbundenen Änderungen der Energiebilanzen zu berücksichtigen. In diesem Schema wird die Schneedecke als eine zusätzliche Schicht im Bodenmodell (bzw. Wandmodell) repräsentiert für die eine eigene prognostische Gleichung für die Schneetemperatur gelöst wird. Die Parametrisierung wird ich am HTESSEL Scheme im ECMWF-IFS Modell anlehnen, auf dem auch das Landoberflächenmodell in PALM-4U basiert. Das Schema beinhaltet einen adaptierten Energiebilanzlöser für die Schneetemperatur, der die Eigenschaften von Schneedecken (d.h. Schneehöhe, Schneedichte), die Albedo (abhängig vom Alter der Schneedecke), Massenflüsse durch Schmerz- und Sublimationsvorgänge, interne Phasenänderungen und den Energieaustausch zwischen Schneedecke und der Atmosphäre sowie mit dem darunterliegenden Boden berücksichtigt. Massenflüsse durch Schneefall und Regen werden explizit berücksichtigt. Zusätzlich soll eine Parametrisierung für das Gefrieren/Schmelzen? von Wasserflächen (d.h. Seen) zu PALM-4U hinzugefügt werden.

Nach technischen Tests, wird das neue Schneebedeckungsschema für Simulationen mit PALM-4U angewandt, basierend auf Eingangsdaten der Winter-IOP1 in Berlin. In der ersten Förderphase wurden Evaluierungsläufe für diese IOP durchgeführt ohne Berücksichtigung einer Schneedecke, obgleich Berlin noch teilweise eine geschlossene Schneedecke aufwies. Da die genaue Verteilung der Schneedecke unbekannt ist, werden in mehreren Simulationen verschiedene Schneebedeckungen synthetisch aufgeprägt und die Evaluierungsläufe in diesen verschiedenen Konfigurationen wiederholt (in enger Abstimmung mit WP-S3). Die Ergebnisse sollen aufzeigen, welchen Effekt eine Schneedecke auf die städtische Grenzschicht haben kann und inwiefern die Evaluierungsrechnungen in der ersten Förderphase dadurch beeinflusst wurden. Da das Simulationsgebiet auch das ländlich geprägte Umland (Brandenburg) umfasst, können Unterschiede zwischen urbaner und ruraler Schneebedeckung bzw. deren Effekte auf Stadt-Land-Effekte untersucht werden. Hierfür ist ein weiterer Simulationslauf geplant, in dem eine Schneedecke ausschließlich im Umland aufgeprägt wird, während die Stadt schneefrei vorgegeben wird. Die Simulationsergebnisse sollen zeigen, in wie weit die städtische Wärmeinsel mit Schneebedeckung zu Rückkopplungseffekten wie einer Stadt-Umland-Zirkulation beiträgt.

Aufgabenstellung

WP-P1.1: Implementierung von Eiswolken, Schneefall und Graupel

WP-P1.2: Implementierung von Schnee und Eis im Landoberflächenmodel

WP-P1.3: Evaluierung für die Winter IOP1 in Berlin

Projektstruktur:

Dieses Arbeitspaket wird von der LUH durchgeführt. Zu liefernde Ergebnisse:

DL1 (Monat 12): Eiswolken und Niederschlag sind in PALM-4U verfügbar

DL2 (Monat 27): Schnee- und Eisparametrisierungsschemata sind implementiert und verfügbar

DL3 (Monat 36): Fallstudie für Berlin wurde durchgeführt und gegen Messdaten evaluiert

Bisheriger Fortschritt:

Das in PALM-4U implementierte 2-Moment Wolkenmikrophysik Schema nach Seifert und Beheng (2006) wurde im bisherigen Projektverlauf um die Spezie des Wolkeneis erweitert und beeinhaltet nun prognostische Größen der Eiskristallanzahlkonzentration und Eiskristall-Mischungsverhältnis. Des Weiteren werden die mikrophyiskalischen Prozesse der Nukleation, des Depositionswachstums von Eiskristallen und die Sedimentation von Wolkeneis berücksichtigt. Für die Validierung der implementierten Prozesse wurden Simulationen anhand einer idealisierten Fallstudie (Ovchinnikov et al., 2014) einer arktischen Mischphasenwolke durchgeführt (siehe Abb. 1 & 2). Die Abbildungen zeigen Zeitreihen des Flüssigwasserpfads (engl. Liquid water path, LWP) und des Eiswasserpfads (engl. Ice water path, IWP) für PALM-4U sowie weiterer LES-Modelle mit ähnlichen Mikrophysik-Parameterisierungen für Simulationen mit unterschiedlicher Eiskeimanzahl (Abb. 1: 1000 L-1, Abb.2: 4000 L-1). Generell ist eine gute Übereinstimmung mit den anderen Modellen zu erkennen. Während der weiteren Projektdauer wird die Wolkenmikrophysik noch um die Spezie Schnee erweitert, wofür insbesondere Kollisionsprozeese mitberücksichtigt werden müssen (siehe Abb. 3).

Abbildung 1: mit 1000 L-1 Eiskeimen

Abbildung 2: mit 4000 L-1 Eiskeimen

Während der weiteren Projektdauer wird die Wolkenmikrophysik noch um die Spezie Schnee erweitert, wofür insbesondere Kollisionsprozeese mitberücksichtigt werden müssen (siehe Abb. 3).

Abbildung 3: Übersicht über die in PALM-4U noch zu implementiernde Wolkenphysik

Referenzliteratur:

Dutra, E., Balsamo, G., Viterbo, P., Miranda, P. M., Beljaars, A., Schär, C., Elder, K., 2010, An improved snow scheme for the ECMWF land surface model: Description and offline validation. Journal of Hydrometeorology, 11(4), 899-916. https://doi.org/10.1175/2010JHM1249.1.

Dutra, E., Balsamo, G., Viterbo, P., Miranda, P., Beljaars, A., Elder, K., 2009, New snow scheme in htessel: description and offline validation, ECMWF.

Morrison, H., et al.,2011, Intercomparison of cloud model simulations of Arctic mixed‐phase boundary layer clouds observed during SHEBA/FIRE‐ACE, J. Adv. Model. Earth Syst., 3, M05001, https:/doi.org/10.1029/2011MS000066.

Seifert, A., Beheng, K. A., 2006, two-moment cloud microphysics parameterization for mixed-phase clouds, Part 1: Model description, Meteorol. Atmos. Phys. 92, 45–66, https://doi.org/10.1007/s00703-005-0112-4.

Ovchinnikov, M., et al., 2014, Intercomparison of large‐eddy simulations of Arctic mixed‐phase clouds: Importance of ice size distribution assumptions, J. Adv. Model. Earth Syst., 6, 223– 248, https://doi.org/10.1002/2013MS000282.

Kontaktdaten:

maronga[at]muk.uni-hannover.de

schwenkel[at]muk.uni-hannover.de

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