Analysis of meso- and microscale hydrometeorological fluxes in TERENO preAlpine using WRF-LES

Abstract

A Large-Eddy Simulation (LES) using the Weather Research and Forecasting (WRF) model is set up in a computationally efficient way, directly driving the single domain with reanalysis data as boundary conditions. The simulation represents two real episodes over a well-known and real area. It is shown that the model successfully produces turbulent structures as they are known from idealized LES in literature and that the inertial subrange of the turbulence spectrum is appropriately resolved. The simulated wind field is evaluated with measurements taken during the ScaleX-campaigns by a triple Doppler Lidar setup that can measure all three wind components with a high temporal and vertical resolution throughout the atmospheric boundary layer. Model results sufficiently recreate the measured wind speed and direction as well as the development of daytime and nocturnal boundary layers. The coarse spatial and temporal resolution of the boundary conditions limits the accuracy of the model, shown by the representation of low-level jets. A katabatic flow reveals that the model successfully produces local weather phenomena that are not present in the boundary conditions and proves that the model output can be considered as a four-dimensional representation of the flow structures for a known area. This is not achievable with measurements. The implementation of realistic soil information (moisture and temperature) allows for a simulation of the sensible and latent heat fluxes. The advantage of the model over measurements here lies in the possibility to evaluate the turbulent fluxes at every location and height and the chance to evaluate the dependence of the fluxes on the soil properties below. The presented setup can be used to gather in-depth knowledge of the small-scale flow structures in a known area or to generalize soil-atmosphere interactions for large-area climate models.Die Dissertation beschreibt die Rechenzeit-effiziente Realisierung und Analyse einer large eddy simulation mit dem Weather Research and Forecasting Modell, bei der die meteorologischen Randbedingungen für die einzelne Domain direkt aus Reanalysedaten abgeleitet werden. Die Simulation erstreckt sich über zwei reale 48-Stunden lange Perioden in einem realen Gebiet. Das Modell produziert genau die turbulenten Strukturen, die aus idealisierten Simulationen aus der Literatur bekannt sind. Die inertial subrange ist deutlich zu erkennen. Messdaten von einem aus drei Doppler Lidar-Geräten bestehenden virtuellen Messturm, der die drei Windkomponenten in hoher zeitlicher und vertikaler Auflösung messen kann und während der ScaleX-Messkampagnen zum Einsatz kam, dienen zur Evaluierung des Modells. Gemessene Windgeschwindigkeiten und -richtungen werden im Modell gut abgebildet; die Grenzschichtentwicklung bei Tag und Nacht ist angemessen repräsentiert. Limitierungen zeigen sich in der Abbildung der gemessenen low-level jets, deren Genauigkeit durch die unzureichende räumliche und zeitliche Auflösung der Randbedingungen begrenzt ist. Am Beispiel eines katabatischen Kaltluftabflusses wird gezeigt, dass das Modell mikrometeorologische Phänomene erzeugt, die nicht aus den Randbedingungen stammen. Das bedeutet, dass die Modellergebnisse ein vierdimensionales Abbild der Strömungsverhältnisse in einem realen Gebiet darstellen. Mit Messungen ist das nicht erreichbar. Durch die Implementierung gemessener Bodenfeuchtigkeit und -temperatur in das Modell lassen sich realistische latente und sensible Wärmeströme berechnen. Im Modell können diese, im Gegensatz zu Messungen, an jedem Ort und in jeder Höhe bestimmt werden und die Abhängigkeit von der Bodenbeschaffenheit wird beschreibbar. Der gezeigte Modellansatz kann zur Untersuchung von kleinräumigen Strömungsmustern oder zur besseren Beschreibung kleinskaliger Effekte von Boden-Atmosphäre Wechselwirkungen in gröber aufgelösten Modellen verwendet werden

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