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Numerical errors above steep topography: A model intercomparison

Zängl, Günther; Gantner, Leonhard; Hartjenstein, Gisela; Noppel, Heike

Meteorologische Zeitschrift Vol. 13 No. 2 (2004), p. 69 - 76

published: May 6, 2004

DOI: 10.1127/0941-2948/2004/0013-0069

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ArtNo. ESP025011302002, Price: 29.00 €

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Abstract

This paper compares the behaviour of three mesoscale models (MM5, Penn State University/NCAR, LM, German Weather Service, and KAMM2, IMK Karlsruhe) in the vicinity of a steep isolated mountain under zero-wind conditions. The setup of the simulations is such that the model atmosphere would remain at rest for all times in the absence of numerical errors. Our results show that the errors occurring in the models under these idealized conditions differ strongly between the models. In the MM5 and the LM, the isentropes become heavily disturbed above the mountain after a few hours of integration, and peak vertical motions of several m s-1 are encountered. In KAMM2, however, isentropes remain virtually undisturbed and vertical motions do not exceed 5 cm s-1 except close to the upper boundary. Sensitivity tests indicate that the numerical errors in the MM5 disappear almost completely when the horizontal diffusion of temperature is computed truly horizontally rather than along the sloping coordinate surfaces. Experiments with moist physics show that the numerical errors over steep mountains can induce substantial amounts of spurious rain. The largest values are found for the LM, followed by the original MM5. The KAMM2 and the modified MM5 version produce only negligible amounts of rain. In dieser Arbeit wird das Verhalten dreier mesoskaliger Modelle (MM5, Penn State University/NCAR, LM, Deutscher Wetterdienst, and KAMM2, IMK Karlsruhe) in der Umgebung eines isolierten steilen Berges untersucht, wobei sich die Atmosphäre in Ruhe befindet. Dabei sind die Simulationen so aufgebaut, dass die Modellatmosphäre in Abwesenheit numerischer Fehler für alle Zeiten in Ruhe bleiben würde. Die Ergebnisse zeigen große Unterschiede zwischen den beteiligten Modellen. Im MM5 und LM entstehen über dem Berg schon nach wenigen Stunden Integrationszeit massive Störungen in den Isentropen, wobei Vertikalgeschwindigkeiten von mehreren m s-1 auftreten. Im KAMM2 bleiben die Isentropen jedoch im wesentlichen ungestört, und die Vertikalgeschwindigkeiten liegen mit Ausnahme des Modelloberrandes unter 5 cm s-1. Sensitivitätstests zeigen, dass die numerischen Fehler im MM5 nahezu vollständig verschwinden, wenn die horizontale Temperaturdiffusion echt horizontal anstatt entlang der geländefolgenden Koordinatenflächen berechnet wird. Weitere Experimente mit Feuchtephysik zeigen zudem, dass die über steilen Bergen auftretenden numerischen Fehler erhebliche Niederschlagsmengen produzieren können. Die größten Werte ergeben sich für das LM, gefolgt von der Originalversion des MM5. KAMM2 und das modifizierte MM5 erzeugen jedoch nur sehr wenig Niederschlag.