Original paper

Evaluation of a dynamic-diagnostic modelling approach to generate highly resolved wind fields in the Alpine region

Truhetz, Heimo; Gobiet, Andreas; Kirchengast, Gottfried

Meteorologische Zeitschrift Vol. 16 No. 2 (2007), p. 191 - 201

published: May 7, 2007

DOI: 10.1127/0941-2948/2007/0192

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ArtNo. ESP025011602006, Price: 29.00 €

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Abstract

For generating highly resolved wind fields in the Alpine region the presented work focuses on the evaluation of a hybrid dynamic-diagnostic downscaling procedure. The diagnostic model CALMET is driven by the dynamic model MM5, which is nested into ECMWF's re-analysis ERA-40. Near surface winds are downscaled via multiple nesting from ∼120 km to 200 m grid spacing without ingestion of any further observational data for the test period between 7 September to 15 November 1999 within a mountainous study area (140 km × 70 km) located in the eastern Alps (Hohe Tauern). Two MM5 grid spacings for driving the diagnostic model were evaluated, 5 km and 10 km, respectively. Detailed error statistics based on observations from surface stations show drastic improvements of modelled air flows compared to the grossly deviating driving data (ERA-40). The overall bias relative to the station-averaged observed mean wind speed of 5.8 m/s is systematically reduced from −4.1 m/s to −0.7 m/s. In general, low wind speeds are slightly overestimated, while higher wind speeds are increasingly underestimated. A reduction of the finest horizontal grid resolution of the dynamic model from 5 km to 10 km, which would be computationally favourable, induces additional errors with respect to unresolved air flows, which the diagnostic model is unable to correct in most cases. Important wind climatologic characteristics (e.g., bimodal frequency distributions) disappear, which accentuates the importance of high-quality, high-resolution initial wind fields for diagnostic models operating in complex terrains.

Kurzfassung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Evaluation eines kombinierten dynamisch-diagnostischen downscaling Verfahrens zur Erstellung hoch aufgelöster Windfelder im Alpenraum. Dazu wird das diagnostische Modell CALMET mit dem dynamischen Modell MM5 angetrieben, welches in den Re-Analysedatensatz ERA-40 des EZMW eingebettet wird. Bodennahe Luftströmungen werden ohne weitere Zuhilfenahme von Beobachtungsdaten im Testzeitraum vom 7. September bis zum 15. November 1999 für eine gebirgige Testregion (140 km × 70 km) im ostalpinen Raum (Hohe Tauern) von einer horizontalen Auflösung von ∼120 km (ERA-40) durch mehrfaches Nesting auf 200 m gebracht. Zwei horizontale Gitterweiten der MM5-Antriebsfelder für das diagnostische Modell wurden getestet, 5 km und 10 km. Eine ausführliche Fehlerstatistik basierend auf Windmessdaten von Bodenstationen zeigt eine drastische Verbesserung der modellierten Luftströmungen im Vergleich zu den sehr stark abweichenden Antriebsdaten (ERA-40). Der Gesamtbias wird relativ zur gemessenen mittleren Windgeschwindigkeit von 5.8 m/s systematisch von −4.1 m/s auf −0.7 m/s reduziert. Generell tritt eine geringe Überschätzung niedriger Windgeschwindigkeiten auf, während höhere Windgeschwindigkeiten zunehmend unterschätzt werden. Bei einer Reduktion der höchsten Horizontalauflösung des dynamischen Modells von 5 km auf 10 km, was hinsichtlich der Rechenzeit von Vorteil wäre, werden kleinräumige Luftströmungen nicht mehr erfasst, wodurch zusätzliche Abweichungen induziert werden, die das diagnostische Modell meist nicht mehr korrigieren kann. Wichtige windklimatologische Charakteristika (z.B. bimodale Häufigkeitsverteilungen) gehen dabei verloren, was den Bedarf diagnostischer Modelle an qualitativ hochwertigen und räumlich hoch aufgelösten Initialisierungsfeldern im komplexen Gelände unterstreicht.