Original paper

To what extent does increased model resolution improve simulated precipitation fields? A case study of two north-Alpine heavy-rainfall events

Zängl, Günther

Meteorologische Zeitschrift Vol. 16 No. 5 (2007), p. 571 - 580

published: Oct 26, 2007

DOI: 10.1127/0941-2948/2007/0237

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Abstract

This study considers two north-Alpine heavy-rainfall cases (20-22 May 1999 and 22-23 August 2005) in order to investigate the resolution-dependence of model skill. The simulations are conducted with the Penn State/NCAR mesoscale model MM5 with a variable number of nested domains, resulting in a finest mesh size of 9, 3, and 1 km, respectively. The results are validated against high-resolution raingauge data for western Austria and the adjacent northern foreland in Bavaria. It is found that refining the mesh size from 9 km to 1 km has a highly beneficial impact in the Alpine part of the area of investigation, which can be explained by the fact that a proper representation of the topography is a necessary precondition for simulating the observed small-scale precipitation variability. The model skill at small scales is found to be better for stable orographic precipitation than in the presence of embedded convective cells because the latter induce a stochastic component in the precipitation field. Moreover, the impact of the cloud microphysics scheme increases with increasing model resolution. In the Alpine foreland, the impact of enhancing the model resolution turns out to be small and not necessarily beneficial. There, precipitation variability is not dominated by topographic effects, and other factors (e.g. embedded convection) may not be predictable in a deterministic sense.

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit werden zwei Starkniederschlagsfälle in den Nordalpen (20.-22. Mai 1999 und 22.-23. August 2005) untersucht, um die Auflösungsabhängigkeit der Güte numerischer Simulationen zu analysieren. Die Simulationen wurden mit dem mesoskaligen Modell MM5 durchgeführt, wobei eine unterschiedliche Anzahl genesteter Integrationsgebiete mit einer feinsten Auflösung von 9, 3 und 1 km verwendet wurde. Die Ergebnisse wurden mit hochaufgelösten Niederschlagsdaten aus Westösterreich und dem bayerischen Alpenvorland validiert. Es zeigt sich, dass eine Verfeinerung der Maschenweite von 9 km auf 1 km im Alpengebiet eine enorme Verbesserung der Simulationsqualität bewirkt. Dies ist dadurch zu erklären, dass eine erfolgreiche Simulation kleinskaliger Niederschlagsvariabilität eine adäquate Erfassung der Topographie voraussetzt. Die Modellgüte auf kleinen Skalen ist bei stabilem Hebungsniederschlag besser als bei eingebetter Konvektion, da letztere eine stochastische Komponente im Niederschlagsfeld bewirkt. Außerdem zeigt sich, dass der Einfluss des Wolkenmikrophysik-Schemas mit zunehmender Modellauflösung zunimmt. Im Alpenvorland ist der Einfluss höherer Modellauflösung jedoch klein und nicht unbedingt positiv. Die Niederschlagsvariabilität ist dort nicht durch topographische Effekte dominiert, stattdessen spielen andere Faktoren (z.B. eingebettete Konvektion) eine Rolle, die vermutlich nicht in einem deterministischen Sinne vorhersagbar sind.