Original paper

A hybrid convection scheme for use in non-hydrostatic numerical weather prediction models

Kuell, Volker; Bott, Andreas

Meteorologische Zeitschrift Vol. 17 No. 6 (2008), p. 775 - 783

published: Dec 9, 2008

DOI: 10.1127/0941-2948/2008/0342

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Abstract

The correct representation of convection in numerical weather prediction (NWP) models is essential for quantitative precipitation forecasts. Due to its small horizontal scale convection usually has to be parameterized, e.g. by mass flux convection schemes. Classical schemes originally developed for use in coarse grid NWP models assume zero net convective mass flux, because the whole circulation of a convective cell is confined to the local grid column and all convective mass fluxes cancel out. However, in contemporary NWP models with grid sizes of a few kilometers this assumption becomes questionable, because here convection is partially resolved on the grid. To overcome this conceptual problem we propose a hybrid mass flux convection scheme (HYMACS) in which only the convective updrafts and downdrafts are parameterized. The generation of the larger scale environmental subsidence, which may cover several grid columns, is transferred to the grid scale equations. This means that the convection scheme now has to generate a net convective mass flux exerting a direct dynamical forcing to the grid scale model via pressure gradient forces. The hybrid convection scheme implemented into the COSMO model of Deutscher Wetterdienst (DWD) is tested in an idealized simulation of a sea breeze circulation initiating convection in a realistic manner. The results are compared with analogous simulations with the classical Tiedtke and Kain-Fritsch convection schemes.

Kurzfassung

Die korrekte Darstellung von Konvektion in Modellen zur numerischen Wettervorhersage (NWV) ist entscheidend für die quantitative Niederschlagsvorhersage. Aufgrund ihrer kleinen horizontalen Skala muss Konvektion gewöhnlich parametrisiert werden, z.B. durch Masseflussschemata. Klassische Schemata, die ursprüunglich für NWV-Modelle mit grobem Gitter entwickelt wurden, machen die Annahme eines verschwindenden konvektiven Nettomassetransports, da die gesamte Zirkulation einer Konvektionszelle in der lokalen Gittersäule eingeschlossen ist und sich alle konvektiven Masseflüsse aufheben. Jedoch wird in heutigen NWV-Modellen mit Gittergrößen von wenigen Kilometern diese Annahme fragwürdig, da hier Konvektion teilweise auf dem Gitter aufgelöst wird. Um dieses konzeptionelle Problem zu lösen, schlagen wir ein hybrides Massefluss-Konvektionsschema (HYMACS) vor, in dem nur die konvektiven Auf- und Abwärtsströmungen parametrisiert werden, wäahrend die großräaumigere Subsidenz, die mehrere Gittersäaulen bedecken kann, den gitterskaligen Gleichungen übertragen wird. Dies bedeutet, dass das Konvektionsschema jetzt einen konvektiven Nettomassefluss erzeugen muss, der einen direkten dynamischen Antrieb des gitterskaligen Modells über Druckgradientenkräafte darstellt. Das hybride Konvektionsschema - implementiert in das COSMO-Modell des Deutschen Wetterdienstes (DWD) - wird getestet in einer idealisierten Simulation einer Land-Seewind-Zirkulation, die Konvektion in einer realistischen Weise anregt. Die Ergebnisse werden mit analogen Simulationen mit den klassischen Tiedtke- und Kain-Fritsch-Konvektionsschemata verglichen.