Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruhe Kick-Off Meeting Bonn 23./24.10.2006 Priority Program SPP 1167 of the DFG Quantitative Precipitation.

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1 Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruhe Kick-Off Meeting Bonn 23./24.10.2006 Priority Program SPP 1167 of the DFG Quantitative Precipitation Forecast Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Mechanisms and prediction of precipitation over complex terrain - Project Cluster: Process understanding - Mechanisms and prediction of precipitation over complex terrain - Project Cluster: Process understanding - S. Wassermann, M. Kunz, Ch. Kottmeier Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Universität Karlsruhe (TH) / Forschungszentrum Karlsruhe Kick-Off Meeting, 23.-24.10.2006, Bonn Priority Program SPP 1167 of the DFG Quantitative Precipitation Forecast

2 Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruhe Kick-Off Meeting Bonn 23./24.10.2006 Priority Program SPP 1167 of the DFG Quantitative Precipitation Forecast Niederschlagsverstärkung über Mittelgebirgen bei großräumigen Niederschlagsereignisse erhöhtes Gefährdungspotenzial Vorhersageproblem: Summe/räumliche Verteilung Komplexe Dynamik: Um/Überströmen, Wellen Motivation Problem Ziel Verbessertes Verständnis für Zusammenhang zwischen Anströmungsbedingungen, Dynamik und resultierender Niederschlagsverstärkung condicio sine qua non für Vorhersage Wiedergabe durch LM/LMK-Modellsimulationen?

3 Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruhe Kick-Off Meeting Bonn 23./24.10.2006 Priority Program SPP 1167 of the DFG Quantitative Precipitation Forecast Analyse realer Ereignisse: Niederschlagseffizienz, räuml. Muster Datenanalyse: verschiedene Mittelgebirge Diagnostisches Niederschl.Modell Kunz (2003,2006) Anwendung für bessere Vorhersagbarkeit der orografischen Niederschlagsverstärkung Einfluss Strömungeffekte und diabatische Wärmeübergänge (Labilisierung Schichtung) auf orografische Niederschlagszunahme Zusammenhang orografischer Niederschlag und Strömungsparameter Strömung / orografischer Niederschlag in LMK; Identifikation Schwächen Vorgehensweise / Zielsetzung Sensitivitätsstudien: Dynamik Niederschlagseffizienz LMK idealisiert LMK real

4 Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruhe Kick-Off Meeting Bonn 23./24.10.2006 Priority Program SPP 1167 of the DFG Quantitative Precipitation Forecast Untersuchungsgebiete: versch. Mittelgebirge max. Höhe: 1000-1500 m Messdaten: SYNOP/RASO/MIRIAM/LUBW Einzelne Ereignisse: stratiform, > 20 mm/d Analysen für Stationspaare (Berg/Talstation) mixing ratio r s in g kg -1 mountain + valley Fr U r s in m s -1 R mountain /R valley r = 0.80 stability N in s -1 R mountain /R valley velocity U in m s -1 mountain + valley orografische Nieder- schlagszunahme Analyse Messdaten bester Zusammenhang: Froude number =U/(N H) x Feuchte-Transport charakterisiert Strömung: Umströmen, Überströmen, Schwerewellen charakterisiert Zufuhr Feuchte in Gebiet Bsp: Thüringer Wald

5 Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruhe Kick-Off Meeting Bonn 23./24.10.2006 Priority Program SPP 1167 of the DFG Quantitative Precipitation Forecast Fr U r s in m s -1 (x 10) R in mm h -1 highly sensitive stability N in s -1 R in mm h -1 mixing ratio r s in g kg -1 R in mm h -1 highly sensitive 21 velocity U in m s -1 R in mm h -1 highly sensitive 2.5 7.5 5 Fr Diagnostisches Modell: lineare Theorie f. Strömung unterschiedliche Sensitivitäten von R abhängig von Position beste Relation zu R: Fr x Feuchtetransp Diagnostisches Modell Bsp: Thüringer Wald

6 Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruhe Kick-Off Meeting Bonn 23./24.10.2006 Priority Program SPP 1167 of the DFG Quantitative Precipitation Forecast N m = 0.002 s -1, U = 10 m s -1, RF = 99% N d = 0.015 s -1, U = 10 m s -1, RF = 95% 18000 z in m 12:00h x-z-Schnitt bei GP=4 (2D-Sim.) w max = 1.2 m/s 12:00h w max = 44.3 m/s x-z-Schnitt bei GP=4 (2D-Sim.) LMK_ideal Erste Versuche mit LMK 3.12 Gaussberg + künstliches Vertikalprofil mit konstantem U, N d (trockene Brunt-Väisälä-Frequenz) und RF zeitlich anwachsende Wellenamplitude! (v.a. bei hoher Feuchte) Vertikalgeschwindigkeit w in m/s

7 Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruhe Kick-Off Meeting Bonn 23./24.10.2006 Priority Program SPP 1167 of the DFG Quantitative Precipitation Forecast intensive Zusammenarbeit mit LMK-Group beim DWD LMK 3.19 verbessertes Runge-Kutta-Schema: Tp-Dynamik statt Tp Auftriebsterm nun vollständig in den schnellen Prozessen gerechnet erheblicher Effekt auf Wellenproblem Gitterweite 2.8 km x 2.8 km (1 km x 1 km) Gebietsgröße 2D: 1000 x 7 x 40 GP Wirbelproblem Gebietsgröße 3D: 200 x 200 x 40 GP Zeitschritt dt = 12 s (15 s Problem ) Wolkenmikrophysik: Schema mit prognostischem qr,qs,qi (itype_gscp=3) LMK_ideal

8 Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruhe Kick-Off Meeting Bonn 23./24.10.2006 Priority Program SPP 1167 of the DFG Quantitative Precipitation Forecast Modellvergleich Jiang (2003) x in km N d = 0.011 1/s, U = 10 m/s, R F = 95 %, h m = 1000 m Jiang (2003) Fig. 1 LMK 3.19 Simulation 3D Berg Altitude (km) 5.24 5.0 1.24 -1.22 Altitude (km) 5.0 290.0 270.3 0.20 0.00 Altitude (km) 5.0 0.16 0.00 0.08 0.00 -5.37 u [m/s] w [m/s] [K] q c [g/kg] q s [g/kg] q i [g/kg] LMK_ideal vs. ARPS

9 Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruhe Kick-Off Meeting Bonn 23./24.10.2006 Priority Program SPP 1167 of the DFG Quantitative Precipitation Forecast N d = 0.011 1/s, R f = 95 %, U = 10 m/s Vergleich 2D/3D Simulation Fazit: 1. echte Bergüberströmung erreicht man nur 3D 2. erwartungsgemäss Unterschiede zwischen Berg und Damm 3-D LMK_ideal

10 Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruhe Kick-Off Meeting Bonn 23./24.10.2006 Priority Program SPP 1167 of the DFG Quantitative Precipitation Forecast Jiang-Fall Regenrate Gesamtniederschlag Schneerate Sensitivitätsuntersuchungen Var N Var U Var q v LMK_ideal Strömungscharakteristik und damit Zustand der Atmosphäre wesentlich für orografisch bedingte Niederschlagszunahme und räumliche Niederschlagsverteilung Beschreibung durch Strömungsparameter (Fr, Scorer..)? Realität?

11 Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruhe Kick-Off Meeting Bonn 23./24.10.2006 Priority Program SPP 1167 of the DFG Quantitative Precipitation Forecast Zusammenfassung Orografische Niederschlagszunahme über Gebirgen wird maßgeblich durch Um/Überströmungeffekte modifiziert Gute Beschreibung der Niederschlagszunahme durch Fr x (U r s ) Zusammenhang bestätigt durch Sensitivitätsstudien mit diagnostischem Modell (lineare Theorie) Idealisierte Simulationsergebnisse sinnvoll ab LMK 3.19 neues Runge-Kutta-Schema qp-Dynamik vergleichbar mit ARPS; weniger Wolkeneis Bestehende Probleme durch obere Randbedingung Probleme bei realen Simulationen?

12 Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruhe Kick-Off Meeting Bonn 23./24.10.2006 Priority Program SPP 1167 of the DFG Quantitative Precipitation Forecast Ausblick Weitere Sensitivitätsstudien für idealisierte Bedingungen Strömungseffekte und Niederschlag Initialisierung mit N m statt N d Ähnlichkeitstheorie für gesättigte Verhältnisse (Fr m ) Untersuchung Niederschlagszunahme und Strömungsdynamik für reale Ereignisse Sensitivitätsuntersuchungen Test Hypothese Niederschlag Strömungsparameter Vergleich mit Beobachtungsdaten und diagn. Modell Modell Skill als Funktion Niederschlagsintensität und/oder physikalische Prozesse Abschätzung Niederschlagsverstärkung durch Kombination Strömungsparameter / meteorologische Parameter und diagsnostischem Modellansatz 7 km 2.8 km 1 km 11.08.2002