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The data assimilation method “Latent Heat Nudging” assessed with the Dynamic State Index

Claussnitzer, Antje; Schartner, Thomas; Névir, Peter; Stephan, Klaus; Cubasch, Ulrich

Meteorologische Zeitschrift Vol. 20 No. 2 (2011), p. 165 - 172

published: Apr 1, 2011

DOI: 10.1127/0941-2948/2011/0220

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ArtNo. ESP025012002008, Price: 29.00 €

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Abstract

In April 2007, the German Weather Service (DWD) added the non-hydrostatic limited area model COSMODE to its model chain. COSMO-DE covers mainly Germany and bordering countries and has a horizontal resolution of 2.8 km (0.025°). An advantage of the COSMO-DE is that deep convection is expected to be resolved explicitly. In order to improve the initial state of COSMO-DE an assimilation of radar derived precipitation rates is applied by using “Latent Heat Nudging” (LHN). The aim of LHN is to adjust the model state so that the model will respond by producing a rain rate close to the observed value. In this study, the influence of LHN on diabatic processes is investigated by evaluation of the Dynamic State Index (DSI). TheDSI is calculated on both isentropic (DSIθ) and model levels (DSIσ). To analyse the influence of LHN, model analyses with and without LHN are examined for summer 2009 (June to August). The influence of LHN is also examined in more detail in a case study of a heavy rainfall event on July 18, 2009 where a strong rainfall area was developed on the front side of a trough. Results, based on a statistical investigation and the case study, show that the model with LHN can reproduce the observed rainfall better than the runs without LHN. This is also suggested by a higher correlation between DSI and observed precipitation. The release of latent heat enhances the diabatic processes associated with the formation of additional potential vorticity anomalies resulting in stronger DSI -signals.

Kurzfassung

Im April 2007 wurde die Modellkette des Deutschen Wetterdienstes (DWD) um ein weiteres Modell erweitert, das nicht-hydrostatische Regionalmodell COSMO-DE. Es überdeckt Deutschland und angrenzende Staaten und hat eine horizontale Auflösung von 2,8 km (0,025 ). Ein Vorteil des COSMO-DE ist, dass es erlaubt die hochreichende Konvektion explizit aufzulösen. Um den Anfangszustand des COSMO-DE zu verbessern, werden Radardaten des DWD-Radarverbund mittels “Latent Heat Nudging” (LHN) assimiliert. Das Ziel der Assimilation ist es, den Zustand des Modells so zu ändern, dass der Modellniederschlag besser mit den Beobachtungen übereinstimmt. In diesem Artikel wird der Einfluss des LHN mit Hilfe des dynamischen Zustandsindex (DSI) untersucht. Der DSI wurde mit zwei Methoden berechnet, einmal auf isentropen Flächen (DSIθ) und zum anderen auf den Modellflächen (DSIσ). Um den Einfluss des LHN zu analysieren, stehen Modellanalysen aus der operationellen Routine und einem Experiment ohne LHN zur Verfügung. Analysiert wird der Sommer 2009 (Juni-August) und eine Fallstudie am 18.7.2009, wo sich ein starkes Regengebiet an der Trogvorderseite eines Tiefdruckgebietes gebildet hat. Die Ergebnisse zeigen, dass das Modell mit LHN, den beobachteten Niederschlag gut wiedergibt. Das LHN bewirkt durch das Freisetzen von latenter Wärme stärkere diabatische Prozesse und damit die Ausbildung von entsprechenden PV-Anomalien und führt so zu stärkeren DSI -Signalen. Durch diese verstärkten konvektiven Prozesse kommt es zu einer verstärkten Niederschlagsbildung als ohne LHN.