Original paper

Simulation of non-local effects of convection with the hybrid mass flux convection scheme HYMACS

Kuell, Volker; Bott, Andreas

Meteorologische Zeitschrift Vol. 20 No. 2 (2011), p. 227 - 241

published: Apr 1, 2011

DOI: 10.1127/0941-2948/2011/0212

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ArtNo. ESP025012002013, Price: 29.00 €

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Abstract

The hybrid mass flux convection scheme HYMACS has been proposed to simulate moist convection in nonhydrostatic numerical weather prediction models with grid sizes at which convection is partially resolved. Different to classical mass flux schemes HYMACS produces a net convective mass flux due to updrafts and downdrafts with resulting grid-scale pressure gradient forces. Thus, as a grid-scale reaction the environmental subsidence may cover several grid columns. Here, HYMACS is extended concerning the non-local effects of gust fronts and cell transport and aging in a way that convective cells can communicate also directly on the subgrid-scale without passing information only via grid-scale averages. Subgrid scale information of gust fronts from parameterized convective cells is used to initiate secondary cells by distributing a “trigger bonus” to neighboring grid columns. In addition, a cell age is assigned to convective cells to parameterize a temporal development in cloud top height and precipitation. This cell age is then transported on the grid-scale to simulate the advection of convective cells. The extentions of HYMACS are demonstrated by means of both idealized and real case experiments.

Kurzfassung

Das hybride Massefluss-Konvektionsschema HYMACS wurde entwickelt, um Feuchte-Konvektion in nichthydrostatischen numerischen Wettervorhersagemodellen mit Gitterweiten zu simulierieren, bei denen Konvektion bereits teilweise aufgelöst wird. Im Unterschied zu klassischen Massefluss-Schemata produziert HYMACS einen konvektiven Netto-Massefluss aufgrund der konvektiven Auf- und Abwärtsströmungen, die dann gitterskalige Druckgradientenkräfte erzeugen. Daher kann die umgebende Subsidenz als gitterskalige Reaktion mehrere Gittersäulen bedecken. Hier wird HYMACS erweitert im Hinblick auf nichtlokale Effekte von Böenfronten und Zellentransport und -alterung insofern, dass konvektive Zellen auch direkt auf der Subgitterskala kommunizieren können, ohne Information ausschließlich über gitterskalige Mittelwerte austauschen zu müussen. Die subgitterskalige Information von Böenfronten parametrisierter konvektiver Zellen wird zur Initiierung sekundärer Zellen genutzt, indem ein “Trigger-Bonus” an die benachbarten Gittersäulen verteilt wird. Zusätzlich wird den konvektiven Zellen ein Zellenalter zugewiesen, um eine zeitliche Entwicklung der Wolkenoberkantenhöhe und des Niederschlags zu parametrisieren. Dieses Zellenalter wird dann auf der Gitterskala transportiert, um die Advektion der Zellen zu simulieren. Diese Erweiterungen von HYMACS werden anhand von idealisierten Experimenten und realen Fallstudien vorgeführt.