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Diagnostic wind-downscaling with a mass consistent model using eta-coordinates
Maria Wind
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Meteorologie
Betreuer*in
Leopold Haimberger
DOI
10.25365/thesis.43628
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-12511.22080.929464-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die korrekte Darstellung von kleinskaligen Windfeldern, besonders über komplexer Topographie,
stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar. In dieser Arbeit wird ein massenkonsistentes
Windmodell entwickelt. Als Vertikalkoordinate dient die terrain-folgende, auf Druck basierende
η Koordinate. Das Windmodell wird zuerst anhand einer idealisierten Simulation getestet und
im Anschluss auf realen Daten angewendet. Als Eingabewindfeld dient eine 4 km WRF (Weather
Research and Forecasting) Simulation. Dieses Windfeld wird auf ein 500 m Gitter mit genauerer
Topographie interpoliert und mit Hilfe des massenkonsistenten Modells so angepasst, dass die
Divergenz verschwindet. Um die Leistung des Modells zu quantifizieren, werden die Ergebnisse
von vier Testfällen mit Bodenwetterbeobachtungen verglichen. Zusätzlich steht für den letzten
Fall ein hochaufgelöstes Modell (1 km) zum Vergleich zur Verfügung. Um einen idealen Wert für
den vertikalen Transmissionskoeffizienten α η zu finden, der das Ergebnis maßgeblich beeinflusst,
werden verschiedene empirische Werte verwendet. Außerdem wird der Wert von α η in Abhän-
gigkeit der Stabilität sowie der Standardabweichung des Eingabewindfeldes berechnet und die
daraus resultierenden Windfelder analysiert.
Insgesamt ist die Leistung des massenkonsistenten Modells stark abhängig von der Qualität und
Auflösung der Eingabedaten sowie den vorherrschenden Wetterbedingungen. Die besten Resul-
tate werden tagsüber bei stabilen Verhältnissen und starkem synoptischen Forcing erreicht. Die
Wiedergabe der Windrichtung kann im Vergleich mit dem 4 km-Modell am stärksten verbessert
werden, mit einer Reduktion des RMS-Fehlers von bis zu 30 ◦ . Gleichzeitig kommt es jedoch meist
zu einer Erhöhung des BIAS der Windgeschwindigkeit.
Generell zeigt diese Arbeit, dass das massenkonsistente Modell ein einfaches und sinnvolles Mittel
sein kann um auf kleiner Skala die Interaktion von Wind und Topographie darzustellen sofern
man gewisse Beschränkungen beachtet.
Abstract
(Englisch)
Resolving small scale wind fields on high resolution topography is still a challenging task, espe-
cially over complex terrain. In this work a mass consistent model using a pressure based terrain
following vertical coordinate, the η coordinate, is developed. At first the model is tested in an
idealized simulation and then applied to real data. As input a 4 km WRF (Weather Research
and Forecasting) simulation is used. This wind field is then downscaled to a 500 m grid with
more detailed topographic information and adjusted to fulfil mass conservation. To evaluate
the performance of the model, four case studies in an area with very complex terrain, a region
around Innsbruck, Austria, are conducted. For verification, the results of the mass consistent
model are compared to near-ground observations. Additionally, comparisons are made with a
prognostic model with a resolution of 1 km which was available for the last case. To find the
ideal value for the vertical transmission coefficient α η which significantly influences the resulting
fields, different empirical values are applied. Furthermore, formulas that link α η to stability and
standard deviation of the input wind field are used and the results analyzed.
Overall, the performance of the mass consistent model strongly depends on the quality and reso-
lution of the input data, the prevailing weather conditions and the choice of α η . Best results are
achieved for stable stratification during day time when strong synoptic forcing is present. The
improvement compared to the 4 km-model is highest in terms of wind direction where the root
mean square error (RMSE) can be reduced by up to 30 ◦ . However, decreasing the error in wind
direction often results in an increased wind speed BIAS.
In general, this work demonstrates that, keeping restrictions and limits in mind, the mass con-
sistent model can be a simple and useful tool to resolve the interaction of wind with small scale
topography.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
mass consistent wind-downscaling mass consistent model diagnostic downscaling eta-coordinate terrain following coordinate
Schlagwörter
(Deutsch)
massenkonsistentes Windmodell Downscaling terrain-folgende Koordinaten eta-Koordinate
Autor*innen
Maria Wind
Haupttitel (Englisch)
Diagnostic wind-downscaling with a mass consistent model using eta-coordinates
Publikationsjahr
2016
Umfangsangabe
viii, 70 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Leopold Haimberger
AC Nummer
AC13640149
Utheses ID
38626
Studienkennzahl
UA | 066 | 614 | |