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dc.contributor.author
Fuhrer, Oliver
dc.contributor.supervisor
Schär, Christoph Joseph
dc.date.accessioned
2017-08-22T08:09:16Z
dc.date.available
2017-06-10T07:48:44Z
dc.date.available
2017-08-22T08:09:16Z
dc.date.issued
2005
dc.identifier.uri
http://hdl.handle.net/20.500.11850/54203
dc.identifier.doi
10.3929/ethz-a-005035587
dc.description.abstract
Weather forecasts are based primarily on forward integrations of numerical representations of atmospheric processes. Recent progress in this area has been driven by advances in the understanding of atmospheric phenomena, improved observations of initial conditions, and more accurate numerical formulations of atmospheric prediction models. In recent decades, the quality of numerical weather prediction (NWP) has been closely linked to an exponential growth in available high-performance computing resources, yielding improved numerical representations of atmospheric processes. It is hoped that a further increase in model resolution will be beneficial, particularly in mountainous regions such as the Alps. Grid spacings on the order of magnitude of 1 km allow for the explicit resolution of moist convection and a more realistic representation of individual valleys and massifs, thereby improving the simulation of heavy orographic precipitation and natural disasters such as flash flooding, land slides, and avalanches. Although weather services are on track towards implementing operational NWP models at such high resolutions, newly resolved atmospheric phenomena are often poorly understood and traditional model formulations may not be suitable. This thesis will address these concerns by investigating both dynamical and numerical issues in high-resolution modeling of atmospheric flow past topography. In the first part, the focus is on numerical issues. It is shown that significant truncation errors may arise in high-resolution simulations of a simple mountain wave flow problem when employing NWP models with terrain-following coordinates. Using linear analytic solutions it is shown that artificial components of the numerical solutions largely stem from inconsistent treatment of metric terms. In particular, metric terms that appear in the advection and pressure-gradient operators do not always cancel when transformed back to Cartesian coordinates. Possible remedies are suggested for both split-explicit and semi-Lagrangian models and are shown to be effective with fully non-hydrostatic model simulations. In the second part of this thesis, the dynamics of shallow, embedded convection (EC) is investigated via idealized ridge flow simulations using a high-resolution NWP model. On the south side of the Alps, heavy precipitation is often associated with a southerly pre-frontal low-level flow advecting warm and moist air from the Mediterranean Sea towards the Alpine ridge. Observations using weather radar indicate that convection embedded in a broad-scale precipitation layer associated with the upslope flow may play a key role in producing heavy precipitation. Results of idealized numerical experiments indicate that stability measures of the upstream profile are useful but insufficient predictors of embedded convection. Other factors, such as the relative magnitude of the dominant timescales and the presence of perturbations in the upstream flow or in the topography, are found to have a strong impact on the development of EC. Simulations suggest that the presence of vertical wind shear favors convection in elongated roll-type circulations (banded convection) as opposed to cellular convection. Simulations show that the convective dynamics significantly increases the speed and efficiency of the orographic precipitation process. Pockets of increased cloud liquid water associated with convective updrafts facilitate the efficient collection of cloud water through coalescence with growing precipitation particles. EC leads to a spatially and temporally highly variable rainfall accumulation at the surface. This is especially true if the individual convective elements are anchored to small-scale terrain features. Regions receiving little or no rain may be within a few kilometers of regions receiving over 100 mm/h. This has implications for the predictability of orographic precipitation and hydrological modeling on the catchment scale. In summary, this study illustrates both the challenges and potential benefits of using current state-of-the-art NWP models at very high resolutions. This thesis aims to contribute to the numerical formulation of high-resolution models suitable for simulations over complex terrain, while positing that high-resolution simulations that explicitly resolve convective dynamics can help to improve our understanding of orographically influenced precipitation events. Wetterprognosen basieren zu einem großen Teil auf der numerischen L¨osung der atmosph ¨arischen Grundgleichungen. Fortschritte in der Wetterprognose wurden durch ein erweitertes physikalisches Verst¨andnis der Wetterph¨anomene erreicht, durch eine genauere Beschreibung des atmosph¨arischen Anfangszustandes sowie durch die Weiterentwicklung der numerischen Wettervorhersagemodelle erreicht. Eine Voraussetzung hierf¨ur war die starke Steigerung der Leistungsf¨ahigkeit von Supercomputern, die eine verbesserte numerische Darstellung der atmosph¨arischen Prozesse erm¨oglichte. Es besteht Grund zur Hoffnung, dass sich durch eine Erh¨ohung der r¨aumlichen Aufl¨osung auch die Vorhersagequalit¨at verbessert, insbesondere in Gebirgsregionen wie dem Alpenraum. Horizontale Modellaufl¨osungen in der Gr¨oßenordnung von 1 km erlauben die explizite Simulation von Konvektion sowie eine realistischere Darstellung einzelner T¨aler und Gebirge. Dadurch wird zum Beispiel eine bessere Simulation von Starkniederschlagsereignissen und den damit verbundenen Naturkatastrophen wie ¨Uberschwemmungen, Bergst¨urzen und Lawinen erm¨oglicht. Innerhalb der n¨achsten Jahre werden viele Wetterdienste ihre operationellen Vorhersagemodelle mit Gitterabst¨anden von 1–4 km betreiben. Dies, obwohl viele der nun aufl¨osbaren atmosph¨arischen Ph¨anomene noch ungen¨ugend verstanden sind, und obwohl die numerische Formulierung herk¨ommlicher Modelle m¨oglicherweise daf¨ur nicht geeignet ist. Die vorliegende Doktorarbeit geht diesen offenen Fragen nach, indem sie sowohl numerische Aspekte der hochaufgel¨osten Modellierung als auch die Dynamik atmosph¨arischer Gebirgs¨uberstr¨omungen untersucht. Der erste Teil dieser Arbeit widmet sich den numerischen Aspekten. Mit hochaufl ¨osenden numerischen Simulationen einer idealisierten Gebirgs¨uberstr¨omung wird gezeigt, dass numerische Wettervorhersagemodelle, die ein gel¨andefolgendes Koordinatensystem verwenden, erhebliche numerische Diskretisierungsfehler aufweisen k¨onnen. Mit Hilfe einer linearisierten analytischen L¨osung des Str¨omungsproblems wird gezeigt, dass diese Diskretisierungsfehler haupts¨achlich auf einer inkonsistenten Behandlung der metrischen Terme beruhen. Eine konsistente Behandlung verlangt die Aufhebung der linearen Anteile der metrischen Terme im Advektions- und Druckgradientenoperator, wenn die diskretisierten Gleichungen in ein kartesisches Koordinatensystem zur¨ucktransformiert werden. M¨ogliche L¨osungen f¨ur sogenannte “split-explicit” und “semi-Lagrange’sche” Modelle werden vorgestellt und ihre Effektivit ¨at anhand von nichthydrostatischen Modellsimulationen nachgewiesen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird auf die Dynamik von zellul¨arer Konvektion eingegangen, die in eine großskalige Gebirgs¨uberstr¨omung eingebettet ist. Starkniederschlagsereignisse auf der Alpens¨udseite gehen oft mit einer warmen und feuchten pr¨afrontalen S¨udstr¨omung einher. Wetterradar-Beobachtungen deuten darauf hin, dass in der großskaligen Str¨omung eingebettete zellul¨are Konvektion eine Schl¨usselrolle in der schnellen und effizienten Niederschlagsbildung spielt. Um dies zu untersuchen, werden idealisierte Gebirgs¨uberstr¨omungen mit einem hochaufl¨osenden Wettervorhersagemodell simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass Stabilit¨atsmaße der einstr ¨omenden Luftmassen zwar n¨utzlich aber nicht hinreichend sind, um das Auftreten von zellul¨arer Konvektion vorherzusagen. Andere Faktoren, wie die relative Gr¨oßenordnung der dominanten Zeitskalen, St¨orungen in der Anstr¨omung oder die Rauhigkeit in der Topographie, k¨onnen einen starken Einfluss auf die Entwicklung konvektiver Zellen aus¨uben. Die Resultate zeigen weiter, dass sich die Konvektion vorzugsweise in Form von Rollen an Stelle von einzelnen Zellen organisiert, sofern das Windprofil eine vertikale Scherung aufweist. Eine Analyse der Simulationen zeigt, dass die Konvektionsdynamik die Geschwindigkeit und Effizienz der orographischen Niederschlagsbildung wesentlich steigert. Die Konvektion f¨uhrt zu Zellen mit erh¨ohtem Wolkenwassergehalt, welche die effiziente Produktion von Niederschlag durch Koaleszenz von Niederschlagsteilchen mit Wolkentr¨opfchen erm¨oglicht. Die resultierende Niederschlagsverteilung weist eine grosse r¨aumliche und zeitliche Variabilit¨at auf. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn kleinskalige Unregelm¨aßigkeiten in der Topographie dazu f¨uhren, dass konvektive Zellen oder Rollen vorzugsweise an spezifischen Orten entstehen. Gebiete, die wenig oder keinen Niederschlag erhalten, liegen unter Umst¨anden nur wenige Kilometer entfernt von Gebieten mit ¨uber 100 mm/h Niederschlag. Dies hat Konsequenzen auf die Vorhersagbarkeit von orographischem Niederschlag sowie auf die hydrologische Modellierung einzelner Einzugsgebiete. Zusammenfassend werden in der vorliegenden Arbeit sowohl die Herausforderungen als auch das Potential von sehr hochaufl¨osenden Simulationen mit numerischen Wettervorhersagemodellen aufgezeigt. Dies geschieht zum einen durch einen Beitrag zur numerischen Formulierung von Wettervorhersagemodellen, die ¨uber komplexer Topographie eingesetzt werden. Zum anderen werden sehr hochaufl¨osende Modellsimulationen von zellul¨arer Konvektion dazu verwendet, das Verst¨andnis ¨uber orographisch induzierten Niederschlag zu vertiefen.
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dc.format
application/pdf
dc.language.iso
en
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dc.publisher
ETH Zürich
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dc.rights.uri
http://rightsstatements.org/page/InC-NC/1.0/
dc.subject
SURFACE AND PLANETARY BOUNDARY LAYER, PBL (METEOROLOGY)
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dc.subject
OROGRAPHIC WIND DISTURBANCES (METEOROLOGY)
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dc.subject
METEOROLOGISCHE MODELLE
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dc.subject
BODENNAHE ATMOSPHÄRENSCHICHT (METEOROLOGIE)
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dc.subject
METEOROLOGICAL MODELS
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dc.subject
OROGRAPHISCHE WINDSTÖRUNGEN (METEOROLOGIE)
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dc.title
From advection to convection
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dc.type
Doctoral Thesis
dc.rights.license
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
ethz.title.subtitle
Dynamical and numerical issues in high-resolution modeling of atmospheric flows pasr topography
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ethz.size
151 p.
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ethz.code.ddc
DDC - DDC::5 - Science::550 - Earth sciences
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DDC - DDC::5 - Science::560 - Paleontology, paleozoology
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15892
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005035587
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Zürich
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ETH Zürich::00002 - ETH Zürich::00012 - Lehre und Forschung::00007 - Departemente::02350 - Dep. Umweltsystemwissenschaften / Dep. of Environmental Systems Science::02717 - Institut für Atmosphäre und Klima / Inst. Atmospheric and Climate Science::03360 - Schär, Christoph / Schär, Christoph
ethz.date.deposited
2017-06-10T07:51:31Z
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2017-07-20T16:29:08Z
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