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Systematic errors of QPF in low-mountain regions as revealed by MM5 simulations

Schwitalla, Thomas; Bauer, Hans-Stefan; Wulfmeyer, Volker; Zängl, Günther

Meteorologische Zeitschrift Vol. 17 No. 6 (2008), p. 903 - 919

published: Dec 9, 2008

DOI: 10.1127/0941-2948/2008/0338

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Abstract

Numerical simulations were performed with the mesoscale community model MM5 in order to investigate the simulation of orographically-influenced convective precipitation in southwestern Germany. With a representative set of 13 cases during Summer 2005, we performed sensitivity experiments with 7 km resolution and a nested model configuration with a horizontal grid spacing of 1 km. With parameterized deep convection at 7 km horizontal resolution, mainly three types of systematic errors were detected: Precipitation was strongly overestimated on the windward side and underestimated in the lee of low-mountain ranges, which is called the "windward/lee effect". Convection was triggered systematically too early by several hours and the simulated precipitation was distributed over larger areas with underestimated peak rain rates. In simulations with a grid size of 1 km with explicitly simulated deep convection, all these model errors were strongly reduced. However, a significant underestimation of precipitation appeared, and the timing error changed into a lag of two hours in the occurrence of the precipitation maximum in the afternoon. For a subset of the 13 cases, sensitivity studies using three different boundary layer and two land-surface schemes were performed and compared with observations of surface networks including Global Positioning System integrated water-vapor measurements. The land-surface scheme had a large impact on the simulated surface temperature and moisture fields. Most realistic results were obtained with the boundary layer scheme of the NCEP Medium Range Forecast Model (MRF) in combination with the MM5 5-layer soil model. Consequently, this configuration was selected for the development of an operational data assimilation and forecasting system during COPS.

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurden hochaufgelöste Simulationen mit dem mesoskaligen Atmosphärenmodell MM5 durchgeführt, um die Darstellung von orographisch beeinflusstem konvektiven Niederschlag in Südwestdeutschland im Modell zu untersuchen. Mit einem repräsentativen Satz von 13 Fällen aus dem Sommer 2005 haben wir Sensitivitätsstudien mit einer Auflösung von 7 km und einer genesteten Modellkonfiguration mit einer horizontalen Auflösung von 1 km durchgeführt. In den Simulationen mit 7 km Auflösung, bei denen die Konvektion parametrisiert wurde, traten hauptsächlich 3 Arten von systematischen Modellfehlern auf: Der Niederschlag wurde auf der Luvseite der Mittelgebirge systematisch überschätzt und auf der Leeseite systematisch unterschätzt (Luv-Lee-Effekt). Konvektion wurde weiterhin systematisch mehrere Stunden zu früh ausgelöst und der Niederschlag wurde bei gleichzeitiger Unterschätzung der Maxima über eine zu große Fläche verteilt. In den Simulationen mit 1 km Auflöosung, bei denen die Konvektion explizit simuliert wurde, wurden all diese Modellfehler deutlich reduziert. Trotzdem wurde der Niederschlag systematisch unterschäatzt und das Nierderschlagsmaximum am Nachmittag trat 2 Stunden zu spät auf. für einen Teil der 13 Fälle wurden Sensitivitätsstudien mit drei verschiedenen Grenzschicht-Parametrisierungen und zwei Landoberflächenmodellen durchgeführt und mit Beobachtungen von bodengebundenen Netzwerken inklusive vertikal integriertem Wasserdampf, abgeleitet von GPS, verglichen. Es zeigte sich, dass die Landoberflächenmodelle einen großen Einfluss auf die simulierten Felder von bodennaher Temperatur und Feuchte haben. Die der Realitäat am nächsten kommenden Ergebnisse erhielten wir mit dem Grenzschichtschema des NCEP Medium Range Forecast Models (MRF) in Kombination mit dem MM5 5-Schichten Bodenmodell. Diese Kombination wurde dann auch für die Entwicklung eines operationellen Assimilations- und Vorhersagesystems während der Messkampagne COPS verwendet.