Sensitivität von konvektivem Niederschlag hinsichtlich Gitterabstand und Landoberflächenrepräsentation

Lokal induzierter konvektiver Niederschlag ist ein wichtiges Wetterphänomen. Hier sei nur auf den oftmals dringend erwartete Regen oder auf die Gefahren, die mit Gewittern verbunden sind, verwiesen. Eine möglichst gute Erfassung des Niederschlages ist daher bei Klimasimulationen und numerischen Wettervorhersagen sehr wichtig.  Bei der Berechnung mit numerischen Modellen kann ab einem Gitterabstand von wenigen Kilometern auf eine Parameterisierung der hochreichenden Konvektion verzichtet werden, weil die relevanten Prozesse im Modellgitter aufgelöst werden. Will man nun den horizontalen Gitterabstand weiter reduzieren, um zum Beispiel die Strömung über orographisch gegliedertem Gelände sowie Vertikalbewegung und Wolken realistischer darzustellen, ist es notwendig weitere Anpassungen am Modell vorzunehmen. Dies betrifft vor allem die Behandlung der Turbulenz. Eine höhere horizontale Auflösung, also Gitterweiten im Hektometerbereich, bringt im Allgemeinen auch Verbesserungen bei der Darstellung des Niederschlages. So wird sowohl der Tagesgang als auch die Struktur des Niederschlages realistischer simuliert.

Mit höherer Modellauflösung steigen normalerweise auch die Anforderungen an die Auflösung der Landoberflächeneigenschaften. Die Kardinalfrage lautet: welche Auflösung ist eigentlich notwendig? Braucht man Landnutzung, Bodentypen und Orographie bis herunter in den Hektometerbereich? Dieser Frage sind wir nachgegangen. Dazu haben wir das ICON Modell mit einem horizontalen Gitterabstand von 156 m, 312 m, 625 m und 1250 m verwendet und drei verschiedene Regionen mit unterschiedlicher orographischer Komplexität betrachtet. Für jedes Gebiet wurden jeweils zwei Tage gerechnet an denen lokal auftretende Konvektion beobachtet wurde. Der Einfluss der Landoberflächenparameter wie Orographie, Pflanzenbewuchs und Erdboden wurde mittels Sensitivitätsrechnungen herausgearbeitet. Dabei wird erst mal für die vier oben genannten Gitterabstände ein sogenannter 'control'-  Lauf durchgeführt, bei dem sowohl die Atmosphäre als auch die Landoberflächenparameter mit der gleichen horizontalen Auflösung repräsentiert sind. Danach wird mit dem feinsten Rechengitter (156 m) gerechnet aber die Landoberflächenparameter werden nur mit 1250 m bzw. 5000 m aufgelöst. Für die Darstellung der Ergebnisse ist der flächengemittelte Niederschlag mit dem Wert des control-Laufes mit 156 m Gitterabstand normiert und nur die Abweichung davon dargestellt. Als wesentliches Ergebnis ist zu nennen, dass die Menge des  berechneten Niederschlages bei gröberer Auflösung im Allgemeinen zu nimmt und bis zu 140 % höher als in der höchsten Auflösung sein kann. Der Anteil der Landoberfläche beläuft sich im Mittel auf circa 20 %, wobei die noch gröber dargestellte Landoberfläche (5000 m) zum Teil einen etwas größeren Effekt zeigt.

Abbildung: Auf der horizontalen Achse ist die Differenz des normierten, flächengemittelten und akkumulierten Niederschlags für die einzelnen Simulationsläufe dargestellt. Die 'control' Simulationen sind mit Rechtecken gekennzeichnet, die Sensitivitätsexperimente mit einer Auflösung der Landoberflächenparameter von 1250 m mit kleinen Kreisen beziehungsweise 5000 m mit großen Kreisen.

Arbeitsgruppe Landoberflächen und Grenzschicht:  
https://www.imk-tro.kit.edu/782.php
Autoren: L. Gantner, S. Singh und N. Kalthoff
Datum: 10. Januar 2020