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26.01.2017

Regionale Klimamodellierung Mit Methoden der regionalen Klimamodellierung werden globale Klimadaten für einzelne Regionen räumlich verfeinert.

WRF

Entwicklung

Das Wetterforschungs- und vorhersagemodell WRF (Skamarock et al., 2005 und 2008) wurde gemeinsam vom National Center for Atmospheric Research (NCAR), der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), der Air Force Weather Agency (AFWA), dem Naval Research Laboratory, der University of Oklahoma, und der Federal Aviation Administration (FAA) in den USA entwickelt. WRF ist ein mesoskaliges numerisches Wettervorhersagemodell, das so entwickelt wurde, dass es sowohl den Ansprüchen operationeller Wettervorhersage als auch atmosphärischer Forschung gerecht wird. Inzwischen wurden auch Komponenten integriert, die es erlauben, WRF in Klimasimulationen zu verwenden. Die WRF Softwareumgebung unterstützt 2 dynamische Kerne: das Advanced Research WRF (ARW), das am NCAR entwickelt und gepflegt wird, und das WRF Nonhydrostatic Mesoscale Model (WRF-NMM) das von den National Centers for Environmental Prediction (NCEP) und NOAA entwickelt wird. WRF ist für Anwendungen im Skalenbereich von Metern bis tausenden von Kilometern anwendbar. Für die Anwendung kann vom Anwender aus einer Vielzahl von Parametrisierungen und Projektionen eine geeignete Konfiguration zusammengestellt werden. In der Klima- und Wetterforschung kommt vor allem das WRF-ARW zum Einsatz, das im Weiteren basierend auf Skamarock et al. (2008) beschrieben wird.
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Atmosphärische Dynamik und Modellkonfiguration

Abb. 1: Geländefolgenden hydrostatische Druckkoordinaten, entsprechend der in vielen hydrostatischen Atmosphärenmodellen verwendeten σ-Koordinaten mit σ=0 an der Oberkante und σ=1 am Boden der Atmosphäre (aus Skamarock et al., 2008)

Abb. 1: Geländefolgenden hydrostatische Druckkoordinaten, entsprechend der in vielen hydrostatischen Atmosphärenmodellen verwendeten σ-Koordinaten mit σ=0 an der Oberkante und σ=1 am Boden der Atmosphäre (aus Skamarock et al., 2008)

Bei WRF handelt es sich um ein kompressibles nichthydrostatisches Modell. Für alle skalaren Größen gelten die Erhaltungsgleichungen. Es besteht die Möglichkeit, das WRF hydrostatisch anzuwenden. Das Modell beinhaltet die prognostischen Variablen Windgeschwindigkeit (u,v,w) sowie Störungen in potentieller Temperatur, Geopotential und Oberflächendruck.

Optional können turbulente kinetische Energie und eine Vielzahl skalarer Größen (z.B. Mischungsverhältnisse) ausgegeben werden. WRF wird auf einem Arakawa C-Gitter mit geländefolgenden hydrostatischen Druckkoordinaten betrieben, entsprechend der in vielen hydrostatischen Atmosphärenmodellen verwendeten σ-Koordinaten mit σ=0 an der Oberkante und σ=1 am Boden der Atmosphäre (Abb. 1).

 Vergrößerung Abb.1

Die zeitliche Integration erfolgt mit einem Runge-Kutta-Schema 2. bzw. 3. Ordnung. WRF kann in verschiedenen Projektionen betrieben werden, z.B. Lambert conformal, Mercator, und Gradnetz (auch mit rotiertem Pol). Verschiedene horizontale Gitter können ineinander geschachtelt werden: mit Wechselwirkung in einer Richtung, in zwei Richtungen und mit sich bewegenden Gebieten (z.B. bei Hurrikan-Simulationen) (Abb. 2).

WRF bietet die Wahl aus einer Vielzahl von Optionen für die Modellphysik. So gibt es z.B. verschiedene Optionen für die Mikrophysik, Landoberflächenmodelle, Grenzschicht-Schemata und Konvektionsparametrisierungen unterschiedlicher Komplexität.

Abb. 2: Verschiedene horizontale Gitter können ineinander geschachtelt werden, hier hat Gebiet 3 die feinste, Gebiet 1 die gröbste horizontale Auflösung.

Abb. 2: Verschiedene horizontale Gitter können ineinander geschachtelt werden, hier hat Gebiet 3 die feinste, Gebiet 1 die gröbste horizontale Auflösung.

Das ganze WRF-System (Abb. 3) beinhaltet neben dem eigentlichen WRF-Modell auch ein Vorbereitungspaket (WRF-Preprocessing System (WPS)) als auch ein Paket zur Aufbereitung der Ergebnisse (WRF-Postprocessing Package (WPP)). Die Aufgabe des WPS ist es, meteorologische Antriebsdaten und terrestrische Daten aufzunehmen, Initialisierungsfelder zu erzeugen und alle Daten für den geplanten Modelllauf zu formatieren. Das WRF-Modell besteht aus digitalen Filtern, die Hintergrundrauschen aus den Eingabedaten entfernen, dem dynamischen Kern (WRF-ARW oder WRF-NMM) zur 3-dimensionalen Lösung der atmosphärischen Strömungsdynamik, den physikalischen Parameterisierungen (s.u.) subskaliger Prozesse und dem Austauschmodul für physikalische Größen zwischen Parameterisierungen und dynamischem Kern. Optional ist die zusätzliche Verwendung der variationellen Datenassimilation (WRF-VAR) oder eines Modells für Atmosphärenchemie (WRF-Chem).

Abb. 3: Flussdiagramm des WRF-Systems (nach Skamarock et al., 2008)

Abb. 3: Flussdiagramm des WRF-Systems (nach Skamarock et al., 2008)

 Vergrößerung Abb.3

Physikalische Parametrisierungen

Subskalige Prozesse werden mit Hilfe von Parameterisierungen (z.B. Mikrophysik) oder Säulenmodellen (z.B. Landoberflächenmodelle) berechnet. Dabei sind die Parameterisierungen nicht unabhängig voneinander und tauschen Größen wie z.B. Temperatur, Feuchte und Niederschlag aus. Abbildung 4 zeigt die Zusammenhänge der physikalischen Parameterisierungen in WRF (Version: WRF v.3.3.1) und ihre Verbindung mit dem dynamischen Kern über eine Schnittstelle in der Temperatur, Wind, Druck und Feuchte ausgetauscht werden.

 Abb. 4: WRF (Version WRF v.3.3.1) und seine physikalischen Parameterisierungen. In Klammern ist die Anzahl der derzeitig in  WRF v.3.3.1 zur Verfügung stehenden Parameterisierungen bzw. Säulenmodelle angegeben.

Abb. 4: WRF (Version WRF v.3.3.1) und seine physikalischen Parameterisierungen. In Klammern ist die Anzahl der derzeitig in WRF v.3.3.1 zur Verfügung stehenden Parameterisierungen bzw. Säulenmodelle angegeben.

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Die Mikrophysik beinhaltet die explizite Auflösung der Prozesse, die die Bildung von Wasserdampf, Wolken und Niederschlag beschreiben. Es kann hier aus einer Vielzahl von Modellen unterschiedlicher Komplexität gewählt werden, z.B. dem Kessler-Schema (Kessler, 1969), dem Thompsen et al. -Schema (Thompsen et al. 2004) und dem Morrison et al. -2-Momenten-Schema (Morrison et al., 2008).

Die Konvektionsparametrisierungen werden zur Erfassung subskaliger Effekte von konvektiven und/oder flachen Wolken benötigt (d.h. wenn die horizontale Auflösung > 4km ist). Diese Schemata sollen die vertikalen Flüsse durch nicht vom Modell aufgelöste Vertikalbewegungen darstellen. Für die Konvektionsparametrisierung stehen u.a. ein modifiziertes Kain-Fritsch-Schema (Kain, 2004) und das Grell-Devenyi- Schema (Grell and Devenyi, 2004) zur Verfügung.

Die Prandtl-Schicht ist die unterste Schicht der Atmosphärischen Grenzschicht. Sie beträgt in etwa 10% der Atmosphärischen Grenzschicht. Die turbulenten Austauschkoeffizienten für Wärme, Feuchte und Impuls in der Prandtl-Schicht werden in WRF (Version: WRF v.3.3.1) mit dem sog. Oberflächenschichtschema berechnet. Hier stehen Parametrisierungen zur Wahl, welche auf der Monin-Obukkhov-Theorie (Monin und Obukhov, 1954) oder auf den Stabilitätsfunktionen von Paulson (1970), Dyer und Hicks (1970), und Webb (1970) basieren. Die Prandtl-Schicht ist das Bindeglied zwischen der Landoberfläche und der planetarischen Grenzschicht (s.u.).

Die Wasser- und Energieflüsse an der Landoberfläche, d.h. im Boden, in der Vegetation und zwischen Boden, Vegetation und atmosphärischer Grenzschicht werden durch Landoberflächenmodelle berechnet, die mit WRF (Version: WRF v.3.3.1) gekoppelt sind. Es besteht die Auswahl zwischen sehr unterschiedlichen Modellen, von denen das NOAH (Chen and Dudhia, 2001) bzw. seit WRF Version 3.4 das NOAH-MP (Niu et al., 2011) die größte Komplexität aufweist.

Die Parametrisierung der planetarischen Grenzschicht (PBL) ist für die vertikalen subskaligen turbulenten Flüsse in der gesamten atmosphärischen Säule oberhalb der Prandtl-Schicht verantwortlich. Wird ein PBL- Schema in WRF aktiviert, so wird die vertikale Diffusion deaktiviert, da das PBL diese beinhaltet. Die Oberflächenflüsse werden vom Oberflächenschichtschema und dem Landoberflächenmodell zur Verfügung gestellt. Das PBL Schema bestimmt daraus die Flussprofile in der gut durchmischten Grenzschicht und der stabilen Schicht und berechnet so die atmosphärischen Tendenzen für Temperatur, Feuchte (inklusive Wolken) und horizontalen Impuls in der gesamten atmosphärischen Säule. Die PBL Schemata sind eindimensional und nehmen an, dass es eine klare Trennung zwischen subskaligen und vom Modell aufgelösten Wirbeln gibt. Zur Auswahl stehen verschiedene PBL Schemata, z.B. das Yonsei University (YSU) (Hong et al., 2006) und das Mellor-Yamada-Janjic (MYJ) (Janjic, 1990, 1996, 2002, Mellor and Yamada, 1982) PBL Schema.

Mit Hilfe von Strahlungstransportmodellen wird die kurzwellige und langwellige Strahlung berechnet. Es kann zwischen ca. 5 Modellen gewählt werden, die unterschiedliche Spektralbänder unterscheiden und unterschiedlich komplex sind, z.B. das aus dem NCAR Community Atmosphere Model (CAM 3.0) stammende Schema für Klimasimulationen. Es kann die optischen Eigenschaften verschiedener Spurengase bzw. Aerosole berücksichtigen und wechselwirkt mit im Modell aufgelösten Wolken. Das CAM-Strahlungsschema ist in Collins et al. (2004) dokumentiert. Ein weiteres Strahlungstransportmodell für die langwellige Strahlung in WRF ist das Rapid Radiative Transfer Model (RRTM) (basierend auf Mlawer et al., 1997), das mit Hilfe von Tabellen die Effekte von Wasserdampf, Ozon, CO2, Spurengasen und Wolken berücksichtigt.

Ausgabegrößen

Standardmäßig werden in WRF sämtliche berechnete atmosphärischen und Landoberflächenvariablen in NetCDF ausgegeben, eine Liste findet sich in der Dokumentation von WRF (Skamarock et al., 2008). Ein Umwandlungsprogramm erlaubt die Konvertierung in CF-konformes NetCDF Format, so dass die Ergebnisse mit den CDOs (Climate Data Operators) bearbeitet werden können.

Autor

Dr. Kirsten Warrach-Sagi
Institut für Physik und Meteorologie, Universität Hohenheim

Janjic, Z. I., 1996: The surface layer in the NCEP Eta Model, Eleventh Conference on Numerical Weather Prediction, Norfolk, VA, 19–23 August; Amer. Meteor. Soc., Boston, MA, 354–355