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Modeling stable orographic precipitation at small scales: The impact of the autoconversion scheme

Zängl, Günther; Seifert, Axel; Wobrock, Wolfram

Meteorologische Zeitschrift Vol. 19 No. 5 (2010), p. 405 - 416

published: Oct 1, 2010

DOI: 10.1127/0941-2948/2010/0458

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Abstract

This study presents idealized numerical simulations of moist airflow over a narrow isolated mountain in order to investigate the impact of the autoconversion scheme on simulated precipitation. The default setup generates an isolated water cloud over the mountain, implying that autoconversion of cloud water into rain is the only process capable of initiating precipitation. For comparison, a set of sensitivity experiments considers the classical seeder-feeder configuration, which means that ambient precipitation generated by large-scale lifting is intensified within the orographic cloud. Most simulations have been performed with the nonhydrostatic COSMO model developed at the German Weather Service (DWD), comparing three different autoconversion schemes of varying sophistication. For reference, a subset of experiments has also been performed with a spectral (bin) microphysics model. While precipitation enhancement via the seeder-feeder mechanism turns out to be relatively insensitive against the autoconversion scheme because accretion is the leading process in this case, simulated precipitation amounts can vary by 1-2 orders of magnitude for purely orographic precipitation. By comparison to the reference experiments conducted with the bin model, the Seifert-Beheng autoconversion scheme (which is the default in the COSMO model) and the Berry-Reinhardt scheme are found to represent the nonlinear behaviour of orographic precipitation reasonably well, whereas the linear approach of the Kessler scheme appears to be less adequate.

Kurzfassung

In der vorliegenden Studie wird in idealisierten Simulationen die Strömung feuchter Luft über einen schmalen isolierten Berg betrachtet, um den Einfluss des Autokonversionsschemas auf die simulierte Niederschlagsmenge zu untersuchen. In der Standardkonfiguration entsteht eine isolierte Wasserwolke über dem Berg, so dass Niederschlag ausschließlich durch Autokonversion von Wolkenwasser in Regenwasser initiiert werden kann. Zum Vergleich wurden auch Experimente zum sogenannten Seeder-Feeder-Effekt durchgeführt, was bedeutet, dass großflächiger Niederschlag in der orographischen Hebungswolke verstärkt wird. Der Großteil der Simulationen wurde mit dem nichthydrostatischen COSMO-Modell des Deutschen Wetterdienstes (DWD) durchgeführt, wobei drei verschiedene Autokonversionsschemen verglichen werden. Als Referenz wurde eine Auswahl von Simulationen auch mit einem spektral auflösenden Wolkenmikrophysik-Modell gerechnet. Während sich die Niederschlagsverstärkung im Zuge des Seeder-Feeder-Mechanismus aufgrund der Dominanz der Akkreszenz als relativ unempfindlich gegenüber dem Autokonversionsschema erweist, variieren die simulierten Niederschlagsmengen bei rein orographischem Niederschlag um 1-2 Größenordnungen. Ein Vergleich mit dem spektralen Wolkenmikrophysik-Modell zeigt, dass das Seifert-Beheng Autokonversionsschema (Voreinstellung im COSMO-Modell) und das Berry-Reinhardt Schema das nichtlineare Verhalten des orographischen Niederschlags vernünftig wiedergeben, wogegen der lineare Ansatz des Kessler-Schemas weniger adäquat erscheint.