Determination of characteristic turbulence length scales from large-eddy simulation of the convective planetary boundary layer

Turbulente Austauschprozesse in der atmosphärischen Grenzschicht spielen eine Schlüsselrolle beim vertikalen Impuls-, Energie- und Stofftransport in der Erdatmosphäre. In meso- und globalskaligen Atmosphärenmodellen sind turbulente Austauschprozesse jedoch subskalig und müssen unter Verwendung geeigneter Schliessungsansätze parametrisiert werden. Hierbei spielt die Spezifikation der charakteristischen Turbulenzlängenskala in Abhängigkeit vom Stabilitätszustand der Atmosphäre eine entscheidende Rolle. Gegenwärtig verwendete Ansätze, die auf der Verwendung der turbulenten Mischungslänge für neutrale Schichtung sowie dimensionsloser Stabilitätsfunktionen basieren, zeigen vor allem Defizite im oberen Bereich der konvektiven Grenzschicht sowie in der Entrainmentzone, wo starke vertikale Gradienten auftreten. In der vorliegenden Arbeit wurden hochaufgelöste dreidimensionale Grobstruktursimulationen der trockenen und feuchten Grenzschicht für ein weites Spektrum von Labilitätsbedingungen durchgeführt. Erste und zweite Momente atmosphärischer Strömungsvariablen wurden aus den simulierten hydro- und thermodynamischen Feldern berechnet und diskutiert. Die Spektraleigenschaften turbulenter Fluktuationen der Strömungsvariablen, das raumzeitliche Verhalten kohärenter Strukturen sowie charakteristische Turbulenzlängenskalen wurden abgeleitet. Eine Verifizierung der charakteristischen Turbulenzlängenskalen erfolgte durch Vergleich mit Ergebnissen früherer numerischer Simulationen, mit Turbulenzmessungen in der atmosphärischen Grenzschicht sowie mit Laborexperimenten. Mit Hilfe der nichtlinearen Datenmodellierung wurden leicht verwendbare Approximationen der charakteristischen Turbulenzlängenskalen abgeleitet und deren statistische Signifikanz diskutiert. Unter Verwendung dieser Approximationen wurde ein existierendes Parametrisierungsmodell revidiert und mit Hilfe von Grobstruktursimulationen verifiziert. Desweiteren wurde der Einfluß der turbulenten Mischungslänge auf die Prognose mesokaliger Felder untersucht. Hierzu wurde mit dem Lokal-Modell des Deutschen Wetterdienstes eine entsprechende Sensitivitätsstudie durchgeführt. Anhand von Satellitendaten und Analysedaten aus der 4D-Datenassimilation wurden die Simulationsergebnisse verifiziert

Determination of characteristic turbulence length scales from large-eddy simulation of the convective planetary boundary layer

Turbulente Austauschprozesse in der atmosphärischen Grenzschicht spielen eine Schlüsselrolle beim vertikalen Impuls-, Energie- und Stofftransport in der Erdatmosphäre. In meso- und globalskaligen Atmosphärenmodellen sind turbulente Austauschprozesse jedoch subskalig und müssen unter Verwendung geeigneter Schliessungsansätze parametrisiert werden. Hierbei spielt die Spezifikation der charakteristischen Turbulenzlängenskala in Abhängigkeit vom Stabilitätszustand der Atmosphäre eine entscheidende Rolle. Gegenwärtig verwendete Ansätze, die auf der Verwendung der turbulenten Mischungslänge für neutrale Schichtung sowie dimensionsloser Stabilitätsfunktionen basieren, zeigen vor allem Defizite im oberen Bereich der konvektiven Grenzschicht sowie in der Entrainmentzone, wo starke vertikale Gradienten auftreten. In der vorliegenden Arbeit wurden hochaufgelöste dreidimensionale Grobstruktursimulationen der trockenen und feuchten Grenzschicht für ein weites Spektrum von Labilitätsbedingungen durchgeführt. Erste und zweite Momente atmosphärischer Strömungsvariablen wurden aus den simulierten hydro- und thermodynamischen Feldern berechnet und diskutiert. Die Spektraleigenschaften turbulenter Fluktuationen der Strömungsvariablen, das raumzeitliche Verhalten kohärenter Strukturen sowie charakteristische Turbulenzlängenskalen wurden abgeleitet. Eine Verifizierung der charakteristischen Turbulenzlängenskalen erfolgte durch Vergleich mit Ergebnissen früherer numerischer Simulationen, mit Turbulenzmessungen in der atmosphärischen Grenzschicht sowie mit Laborexperimenten. Mit Hilfe der nichtlinearen Datenmodellierung wurden leicht verwendbare Approximationen der charakteristischen Turbulenzlängenskalen abgeleitet und deren statistische Signifikanz diskutiert. Unter Verwendung dieser Approximationen wurde ein existierendes Parametrisierungsmodell revidiert und mit Hilfe von Grobstruktursimulationen verifiziert. Desweiteren wurde der Einfluß der turbulenten Mischungslänge auf die Prognose mesokaliger Felder untersucht. Hierzu wurde mit dem Lokal-Modell des Deutschen Wetterdienstes eine entsprechende Sensitivitätsstudie durchgeführt. Anhand von Satellitendaten und Analysedaten aus der 4D-Datenassimilation wurden die Simulationsergebnisse verifiziert

Determination of characteristic turbulence length scales from large-eddy simulation of the convective planetary boundary layer

Turbulente Austauschprozesse in der atmosphärischen Grenzschicht spielen eine Schlüsselrolle beim vertikalen Impuls-, Energie- und Stofftransport in der Erdatmosphäre. In meso- und globalskaligen Atmosphärenmodellen sind turbulente Austauschprozesse jedoch subskalig und müssen unter Verwendung geeigneter Schliessungsansätze parametrisiert werden. Hierbei spielt die Spezifikation der charakteristischen Turbulenzlängenskala in Abhängigkeit vom Stabilitätszustand der Atmosphäre eine entscheidende Rolle. Gegenwärtig verwendete Ansätze, die auf der Verwendung der turbulenten Mischungslänge für neutrale Schichtung sowie dimensionsloser Stabilitätsfunktionen basieren, zeigen vor allem Defizite im oberen Bereich der konvektiven Grenzschicht sowie in der Entrainmentzone, wo starke vertikale Gradienten auftreten. In der vorliegenden Arbeit wurden hochaufgelöste dreidimensionale Grobstruktursimulationen der trockenen und feuchten Grenzschicht für ein weites Spektrum von Labilitätsbedingungen durchgeführt. Erste und zweite Momente atmosphärischer Strömungsvariablen wurden aus den simulierten hydro- und thermodynamischen Feldern berechnet und diskutiert. Die Spektraleigenschaften turbulenter Fluktuationen der Strömungsvariablen, das raumzeitliche Verhalten kohärenter Strukturen sowie charakteristische Turbulenzlängenskalen wurden abgeleitet. Eine Verifizierung der charakteristischen Turbulenzlängenskalen erfolgte durch Vergleich mit Ergebnissen früherer numerischer Simulationen, mit Turbulenzmessungen in der atmosphärischen Grenzschicht sowie mit Laborexperimenten. Mit Hilfe der nichtlinearen Datenmodellierung wurden leicht verwendbare Approximationen der charakteristischen Turbulenzlängenskalen abgeleitet und deren statistische Signifikanz diskutiert. Unter Verwendung dieser Approximationen wurde ein existierendes Parametrisierungsmodell revidiert und mit Hilfe von Grobstruktursimulationen verifiziert. Desweiteren wurde der Einfluß der turbulenten Mischungslänge auf die Prognose mesokaliger Felder untersucht. Hierzu wurde mit dem Lokal-Modell des Deutschen Wetterdienstes eine entsprechende Sensitivitätsstudie durchgeführt. Anhand von Satellitendaten und Analysedaten aus der 4D-Datenassimilation wurden die Simulationsergebnisse verifiziert

Impact of land use and soil data specifications on COSMO-CLM simulations in the CORDEX-MED area

The impact of the ECOCLIMAP land use and the Harmonized World Soil Database (HWSD) data on simulations with the Consortium for Small-scale Modeling model in CLimate Mode (CCLM) regional climate model is investigated. ECOCLIMAP has information about vegetation characteristics as monthly data for 215 climatic units. With the HWSD implementation in CCLM, the spatial resolution of the soil data has been increased to 30 arc seconds and has an improved texture definition and handling in the soil model TERRA_ML. Simulations in the MED-CORDEX modeling domain over the period 1986–2000 reveal that differences of up to 1.8 K in the area monthly mean temperature as well as of up to 21 % in the area monthly mean precipitation can be attributed to the differences in the soil data time-invariant boundary input. Differences related to changes in land use are with 0.4 K and 5 % moderate. Differences resulting from the soil data and its processing in CCLM indicate that regional climate model simulations might benefit from further improvements in this area

Model developments in TERRA_URB, the upcoming standard urban parametrization of the atmospheric numerical model COSMO(-CLM)

In order to address urban climate at the regional scales, a new efficient urban land-surface parametrization TERRA_URB has been developed and coupled to the atmospheric numerical model COSMO-CLM. Hereby, several new advancements for urban land-surface models are introduced which are crucial for capturing the urban surface-energy balance and its seasonal dependency in the mid-latitudes. This includes a new PDF-based water-storage parametrization for impervious land, the representation of radiative absorption and emission by greenhouse gases in the infra-red spectrum in the urban canopy layer, and the inclusion of heat emission from human activity. TERRA_URB has been applied in offline urban-climate studies during European observation campaigns at Basel (BUBBLE), Toulouse (CAPITOUL), and Singapore, and currently applied in online studies for urban areas in Belgium, Germany, Switzerland, Helsinki, Singapore, and Melbourne. Because of its computational efficiency, high accuracy and its to-the-point conceptual easiness, TERRA_URB has been selected to become the standard urban parametrization of the atmospheric numerical model COSMO(-CLM). This allows for better weather forecasts for temperature and precipitation in cities with COSMO, and an improved assessment of urban outdoor hazards in the context of global climate change and urban expansion with COSMO-CLM. We propose additional extensions to TERRA_URB towards a more robust representation of cities over the world including their structural design. In a first step, COSMO’s standard EXTernal PARarameter (EXTPAR) tool is updated for representing the cities into the land cover over the entire globe. Hereby, global datasets in the standard EXTPAR tool are used to retrieve the ’Paved’ or ’sealed’ surface Fraction (PF) referring to the presence of buildings and streets. Furthermore, new global data sets are incorporated in EXTPAR for describing the Anthropogenic Heat Flux (AHF) due to human activity, and optionally the Surface Area Index (SAI) derived from the Floor Space Index (FSI). In a second step, it is focussed on the urban/rural contrast in terms of turbulent transport in the surface layer by means of model sensivity experiments: On the theoretical basis of the TKE-based surface-layer transfer scheme of COSMO, we investigate the consistency between empirical functions for thermal roughness lengths and the urban/rural canopy morphology.status: publishe

Towards standard parametrization of COSMO(-CLM)

For the last 200 years, the global population has increased sevenfold resulting in a strong urban expansion. Consequential changes in the landscape have lead to drastic climate modifications, which ranks among the most significant human impacts on the environment. Most remarkable is the urban heat island effect, for which cities are exposed to higher air temperatures than those in the natural surroundings, especially for the night-time during heat waves. Urbanization also leads to drastic changes to the air flow and enhanced turbulent transport, and therefore affecting the precipitation and air quality. All these phenomena affect the outdoor comfort, but also causes serious health risks for many people living and working in cities. Therefore, it has been decided to implement a standard urban parametrization working out-of-the-box for both numerical weather prediction with COSMO and regional climate studies with COSMO-CLM. It aims for better weather forecasts for temperature and precipitation in cities with COSMO, and an improved assessment of urban outdoor hazards in the context of global climate change and urban expansion with COSMO-CLM. This work starts from the simple urban parametrization TERRA_URB recently developed for COSMO-CLM, which has been applied for different cities over Europe. In a first step, the EXTPAR tool is updated for representing the cities into the land cover over the entire globe. Hereby, global datasets in the standard EXTPAR tool are used to retrieve the ’Paved’ or ’sealed’surface Fraction (PF) referring to the presence of buildings and streets. Furthermore, new global data sets are incorporated in EXTPAR for describing the Anthropogenic Heat Flux (AHF) due to human activity, and optionally the Surface Area Index (SAI) derived from the Floor Space Index (FSI). In a second step, the urban parametrization is implemented in the standard version of COSMO by means of the a tile approach for the urban tiles. Besides for the reduction in vegetation, it accounts for the buildings and streets as a rough water-impermeable slab, adopting bulk parameters for (thermal) roughness length, albedo, emissivity, heat capacity and conductivity. It is focussed on the urban/rural contrast in terms of turbulent transport within the surface layer by means of sensitivity experiments. Hereby, we investigate for the consistency between empirical functions for thermal roughness length and the underlying theory of the TKE-based surface-layer transfer scheme.status: publishe

Model developments in TERRA_URB, the upcoming standard urban parametrization of the atmospheric numerical model COSMO(-CLM)

In order to account for urban climate at the regional scales, a new efficient urban land-surface parametrization TERRA_URB has been developed and coupled to the atmospheric numerical model COSMO-CLM. Hereby, several new advancements for urban land-surface models are introduced which are crucial for capturing the urban surface-energy balance and its seasonal dependency in the mid-latitudes. This includes a new PDF-based water-storage parametrization for impervious land, the representation of radiative absorption and emission by greenhouse gases in the infra-red spectrum in the urban canopy layer, and the inclusion of heat emission from human activity. TERRA_URB has been applied in offline urban-climate studies during European observation campaigns at Basel (BUBBLE), Toulouse (CAPITOUL), and Singapore, and in online studies for urban areas in Belgium, Germany and Switzerland. Because of its computational efficiency, high accuracy and its to-the-point conceptual easiness, TERRA_URB has been selected to become the standard urban parametrization of the atmospheric numerical model COSMO(-CLM). This allows for better weather forecasts for temperature and precipitation in cities with COSMO, and an improved assessment of urban outdoor hazards in the context of global climate change and urban expansion with COSMO-CLM. In this work, we propose additional developments in TERRA_URB towards improved urban climate modelling. On the one hand, global datasets are constructed for describing the physical land-surface properties of cities over the world. Hereby, global datasets in the EXTernal PARameters (EXTPAR) tool of COSMO are used to derive the 'sealed' surface Fraction referring to the presence of buildings and streets, but also the Surface Area Index (SAI) referring to the surface morphology based on the Floar Area Index (FAI). On the other hand, it is focussed on the urban/rural contrast in terms of turbulent transport in the surface layer by means of model sensivity experiments. On the theoretical basis of the TKE-based surface-layer transfer scheme of COSMO, we investigate the consistency between empirical functions for thermal roughness lengths and the morphological parameters of urban/rural canopies.status: publishe