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Convective initiation - relevant processes and their representation in convection-permitting models
Convective initiation - relevant processes and their representation in convection-permitting models
Die Vorhersage von konvektivem Niederschlag ist für heutige, numerische Wettervorhersagemodelle eine besondere Herausforderung. Die Ursache dafür liegt insbesondere an unzureichend aufgelösten Grenzschichtprozessen, welche für die Entstehung von Konvektion besonders relevant sind. Diese Arbeit befasst sich mit drei solchen Prozessen, die Grenzschichtturbulenz, mechanische Hebung durch Subgrid-skalige Orographie und Cold Pools. Ziel ist es, systematische Fehler in den simulierten Prozessen zu identifizieren und die Darstellung der Prozesse in Konvektions-erlaubenden Modellen zu verbessern. Grenzschichtturbulenz wird in den meisten Modellen durch Parameterisierungen näherungsweise dargestellt, indem nur der mittlere Einfluss der Turublenz in einer Gitterbox berücksichtigt wird. Für die Entstehung von Konvektion ist jedoch die subgrid-skalige Variabilität von entscheidender Bedeutung. Um diese fehlende Variabilität dennoch zu berücksichtigen, haben Kober und Craig (2016) ein physikalisch basiertes, stochastisches Störungschema (PSP) entwickelt, wodurch zusätzlich Modellunsicherheiten direkt dort quantifiziert werden, wo sie entstehen. Das ist besonders wichtig, um zuverlässige Vorhersagen zu erhalten. Das Verhalten des PSP-Schemas zeigt jedoch in manchen Fällen unerwünschte Effekte, welche wir in dieser Arbeit verringern. Dafür entwickeln wir einige Modifikationen des PSP Schemas. Zum Beispiel stören wir die horizontalen Wind-Komponenten, sodass 3d Divergenzfreiheit gegeben ist und die Vertikalwindstörungen länger anhalten. Daraus entsteht eine entsprechend verbesserte Version, das PSP2, welches stärker unserem physikalischen Verständnis folgt und ähnliche Verbesserungen beim Einsetzen von konvektivem Niederschlag aufweist wie in dem ursprünglichem PSP-Schema und zusätzlich eine verbesserte Strukture der Niederschlagszellen zeigt. Als nächst-wichtigsten Prozess für die Konvektionsauslösung berücksichtigen wir die Hebung durch subgrid-skalige Orographie. Dafür entwickeln wir eine weitere, stochastische Parameterisierung, das SSOSP-Schema, welches den Effekt der mechanischen Hebung durch subgrid-skalige Orographie darstellt. Dazu wird die Amplitude von Schwerewellen durch Informationen zur subgrid-skaligen Orographie dargestellt und verwendet. Zwar ist durch das SSOSP-Schema eine deutliche Erhöhung der Konvektionsauslösung in orografischen Regionen möglich, jedoch fällt dies mit einem unerwünschten Einfluss auch auf nicht-orografische Regionen zusammen. Im Gegensatz zu unseren ursprünglichen Erwartungen kommen wir zu dem Schluss, dass die subgrid-skalige Orographie keine entscheidende Rolle spielt, da sie meist von aufgelöster Orographie begleitet wird. Der bedeutendste Teil der Arbeit befasst sich mit Cold Pools. Cold Pools sind vor Allem für die Organisation von Konvektion entscheidend, sowie für die Auslösung von Konvektion am Nachmittag und Abend. Dass Konvektions-erlaubende Modelle Cold Pools nicht ausreichend gut darstellen können, liegt nahe. Um genauer zu verstehen, welche Aspekte der Cold Pools mangelhaft dargestellt werden, verwenden wir hochauflösende Simulationen um Cold Pools, Cold Pool Ränder und ausgelöste Konvektion zu identifizieren. Dabei stellen wir fest, dass Cold Pools in Simulationen mit niedrigerer Auflösung häufiger, kleiner und weniger intensiv sind und schwächere Böenfronten aufweisen. Wir verwenden eine lineare Kausalitätsanalyse, um verschiedene indirekte Effekte zu quantifizieren. Dabei finden wir einen dominierenden Effekt: Durch die Reduzierung der Gittergrößen wird der aufwärts-gerichtete Massenfluss an der Böenfront reduziert, was zu geringeren Wahrscheinlichkeiten für die Konvektionsauslösung führt. Basierend auf diesem gewonnen Verständnis entwickeln wir anschließend eine deterministische Cold-Pool-Parametrisierung, CPP, die die Aufwärtsbewegung an den Böenfronten von Cold-Pools verstärkt, um die Konvektionsauslösung durch Cold Pools zu verbessern. Dabei wird der Niederschlag besonders am Nachmittag und Abend verstärkt und die Organisation der Konvektion nimmt zu, woruch Niederschlagsvorhersagen verbessert werden., Current deficits of numerical weather prediction models in predicting convective precipitation are presumably caused by insufficiently resolved boundary-layer processes and their role in initiating convection. This thesis addresses three such boundary-layer processes, which are expected to be the most relevant ones for convective initiation. We identify current deficits and improve their representation in convection-permitting models to improve the representation of convection itself. The three considered processes are boundary-layer turbulence, mechanical lifting by subgrid-scale orography and cold pools. Boundary layer turbulence is mostly parameterized in these models and only represented by the average effect on a grid box. As the subgrid-scale variability is crucial for convective initiation, Kober and Craig (2016) have developed a unique, physically based stochastic perturbation scheme (PSP) to reintroduce the subgrid-scale variability of boundary-layer turbulence in a stochastic manner. This allows the quantification of model uncertainty at its source - a crucial, but rarely performed step for reliable forecasts. As the PSP scheme also introduced some undesired behavior, we develop several modifications to pertain the positive effect of the original PSP scheme while being physically more consistent. For example, we included perturbations in horizontal wind components in a 3d non-divergent way to obtain persistent vertical velocity perturbations. A revised version, PSP2, is physically more consistent and shows improvements in the onset of convective precipitation similar to the original scheme and an improved structure of precipitation cells. The next important process is assumed to be convective initiation by subgrid-scale orography. We develop an additional stochastic parameterization, the SSOSP scheme, to include the effect of mechanical lifting by subgrid-scale orography using a gravity wave formalism and information on subgrid-scale orography. While a clear increase in convective initiation over orographic regions is possible by the SSOSP scheme, this usually coincides with an undesired impact also on non-orographic regions. We conclude - in contrast to our initial expectations - that, most likely, subgrid-scale orography does not play a crucial role because it is mostly accompanied by resolved orography. The most notable parts of this thesis are concerned with cold pools. Cold pools are expected to play a crucial role in the convective organization and for late afternoon and evening convective initiation. However, km-scale models are not expected to simulate cold pools with sufficient accuracy. To better understand, which aspects of cold pools are insufficiently represented, we identify cold pools, cold pool boundaries and initiated convection in high-resolution simulations. We find that cold pools are more frequent, smaller, less intense and have weaker gust fronts in lower resolution simulations. We use a linear causal graph analysis to disentangle different indirect effects. Doing so, we identify one single, dominant effect: reducing grid sizes reduces upward mass flux at the gust front directly, which causes weaker triggering probabilities. Based on these results, we then develop a deterministic cold pool parameterization, CPP, which strengthens the upward motion at cold pool gust fronts to improve cold pool driven convective initiation. We find that precipitation is amplified and becomes more organized in the afternoon and evening. Better precipitation forecasts will then be possible.
Convective Initiation, Numerical Weather Prediction, Meteorology, Parameterization
Hirt, Mirjam
2020
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Hirt, Mirjam (2020): Convective initiation - relevant processes and their representation in convection-permitting models. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Die Vorhersage von konvektivem Niederschlag ist für heutige, numerische Wettervorhersagemodelle eine besondere Herausforderung. Die Ursache dafür liegt insbesondere an unzureichend aufgelösten Grenzschichtprozessen, welche für die Entstehung von Konvektion besonders relevant sind. Diese Arbeit befasst sich mit drei solchen Prozessen, die Grenzschichtturbulenz, mechanische Hebung durch Subgrid-skalige Orographie und Cold Pools. Ziel ist es, systematische Fehler in den simulierten Prozessen zu identifizieren und die Darstellung der Prozesse in Konvektions-erlaubenden Modellen zu verbessern. Grenzschichtturbulenz wird in den meisten Modellen durch Parameterisierungen näherungsweise dargestellt, indem nur der mittlere Einfluss der Turublenz in einer Gitterbox berücksichtigt wird. Für die Entstehung von Konvektion ist jedoch die subgrid-skalige Variabilität von entscheidender Bedeutung. Um diese fehlende Variabilität dennoch zu berücksichtigen, haben Kober und Craig (2016) ein physikalisch basiertes, stochastisches Störungschema (PSP) entwickelt, wodurch zusätzlich Modellunsicherheiten direkt dort quantifiziert werden, wo sie entstehen. Das ist besonders wichtig, um zuverlässige Vorhersagen zu erhalten. Das Verhalten des PSP-Schemas zeigt jedoch in manchen Fällen unerwünschte Effekte, welche wir in dieser Arbeit verringern. Dafür entwickeln wir einige Modifikationen des PSP Schemas. Zum Beispiel stören wir die horizontalen Wind-Komponenten, sodass 3d Divergenzfreiheit gegeben ist und die Vertikalwindstörungen länger anhalten. Daraus entsteht eine entsprechend verbesserte Version, das PSP2, welches stärker unserem physikalischen Verständnis folgt und ähnliche Verbesserungen beim Einsetzen von konvektivem Niederschlag aufweist wie in dem ursprünglichem PSP-Schema und zusätzlich eine verbesserte Strukture der Niederschlagszellen zeigt. Als nächst-wichtigsten Prozess für die Konvektionsauslösung berücksichtigen wir die Hebung durch subgrid-skalige Orographie. Dafür entwickeln wir eine weitere, stochastische Parameterisierung, das SSOSP-Schema, welches den Effekt der mechanischen Hebung durch subgrid-skalige Orographie darstellt. Dazu wird die Amplitude von Schwerewellen durch Informationen zur subgrid-skaligen Orographie dargestellt und verwendet. Zwar ist durch das SSOSP-Schema eine deutliche Erhöhung der Konvektionsauslösung in orografischen Regionen möglich, jedoch fällt dies mit einem unerwünschten Einfluss auch auf nicht-orografische Regionen zusammen. Im Gegensatz zu unseren ursprünglichen Erwartungen kommen wir zu dem Schluss, dass die subgrid-skalige Orographie keine entscheidende Rolle spielt, da sie meist von aufgelöster Orographie begleitet wird. Der bedeutendste Teil der Arbeit befasst sich mit Cold Pools. Cold Pools sind vor Allem für die Organisation von Konvektion entscheidend, sowie für die Auslösung von Konvektion am Nachmittag und Abend. Dass Konvektions-erlaubende Modelle Cold Pools nicht ausreichend gut darstellen können, liegt nahe. Um genauer zu verstehen, welche Aspekte der Cold Pools mangelhaft dargestellt werden, verwenden wir hochauflösende Simulationen um Cold Pools, Cold Pool Ränder und ausgelöste Konvektion zu identifizieren. Dabei stellen wir fest, dass Cold Pools in Simulationen mit niedrigerer Auflösung häufiger, kleiner und weniger intensiv sind und schwächere Böenfronten aufweisen. Wir verwenden eine lineare Kausalitätsanalyse, um verschiedene indirekte Effekte zu quantifizieren. Dabei finden wir einen dominierenden Effekt: Durch die Reduzierung der Gittergrößen wird der aufwärts-gerichtete Massenfluss an der Böenfront reduziert, was zu geringeren Wahrscheinlichkeiten für die Konvektionsauslösung führt. Basierend auf diesem gewonnen Verständnis entwickeln wir anschließend eine deterministische Cold-Pool-Parametrisierung, CPP, die die Aufwärtsbewegung an den Böenfronten von Cold-Pools verstärkt, um die Konvektionsauslösung durch Cold Pools zu verbessern. Dabei wird der Niederschlag besonders am Nachmittag und Abend verstärkt und die Organisation der Konvektion nimmt zu, woruch Niederschlagsvorhersagen verbessert werden.

Abstract

Current deficits of numerical weather prediction models in predicting convective precipitation are presumably caused by insufficiently resolved boundary-layer processes and their role in initiating convection. This thesis addresses three such boundary-layer processes, which are expected to be the most relevant ones for convective initiation. We identify current deficits and improve their representation in convection-permitting models to improve the representation of convection itself. The three considered processes are boundary-layer turbulence, mechanical lifting by subgrid-scale orography and cold pools. Boundary layer turbulence is mostly parameterized in these models and only represented by the average effect on a grid box. As the subgrid-scale variability is crucial for convective initiation, Kober and Craig (2016) have developed a unique, physically based stochastic perturbation scheme (PSP) to reintroduce the subgrid-scale variability of boundary-layer turbulence in a stochastic manner. This allows the quantification of model uncertainty at its source - a crucial, but rarely performed step for reliable forecasts. As the PSP scheme also introduced some undesired behavior, we develop several modifications to pertain the positive effect of the original PSP scheme while being physically more consistent. For example, we included perturbations in horizontal wind components in a 3d non-divergent way to obtain persistent vertical velocity perturbations. A revised version, PSP2, is physically more consistent and shows improvements in the onset of convective precipitation similar to the original scheme and an improved structure of precipitation cells. The next important process is assumed to be convective initiation by subgrid-scale orography. We develop an additional stochastic parameterization, the SSOSP scheme, to include the effect of mechanical lifting by subgrid-scale orography using a gravity wave formalism and information on subgrid-scale orography. While a clear increase in convective initiation over orographic regions is possible by the SSOSP scheme, this usually coincides with an undesired impact also on non-orographic regions. We conclude - in contrast to our initial expectations - that, most likely, subgrid-scale orography does not play a crucial role because it is mostly accompanied by resolved orography. The most notable parts of this thesis are concerned with cold pools. Cold pools are expected to play a crucial role in the convective organization and for late afternoon and evening convective initiation. However, km-scale models are not expected to simulate cold pools with sufficient accuracy. To better understand, which aspects of cold pools are insufficiently represented, we identify cold pools, cold pool boundaries and initiated convection in high-resolution simulations. We find that cold pools are more frequent, smaller, less intense and have weaker gust fronts in lower resolution simulations. We use a linear causal graph analysis to disentangle different indirect effects. Doing so, we identify one single, dominant effect: reducing grid sizes reduces upward mass flux at the gust front directly, which causes weaker triggering probabilities. Based on these results, we then develop a deterministic cold pool parameterization, CPP, which strengthens the upward motion at cold pool gust fronts to improve cold pool driven convective initiation. We find that precipitation is amplified and becomes more organized in the afternoon and evening. Better precipitation forecasts will then be possible.