ICON. Zwei-Wege-Nesting am sphärischen Dreieicksgitter. Deutscher Wetterdienst, Offenbach. und das ICON-Entwicklungsteam.

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Ilse Friedrich
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1 ICON Zwei-Wege-Nesting am sphärischen Dreieicksgitter Günther Zängl und das ICON-Entwicklungsteam Deutscher Wetterdienst, Offenbach

2 Gliederung Einführung: Gitterstruktur Implementierung des Zwei-Wege-Nestings Ergebnisse idealisierter Testfälle (barokline Welle und berginduzierte Rossbywelle) Zusammenfassung

3 Deutscher Wetterdienst Gitterstruktur (schematische Ansicht) Dreieckszellen als Primärzellen Massenpunkte im Umkreismittelpunkt Geschwindigkeit ist am Kantenmittelpunkt definiert Rot: Verfeinerungsgebiet Randinterpolation wird für Massenpunkte und Geschwindigkeitspunkte benötigt

4 Deutscher Wetterdienst Implementierung des Zwei-Wege-Nestings Ablaufsteuerung: 1 Zeitschritt im äußeren Gebiet, Randinterpolation, 2 Zeitschritte im Verfeinerungsgebiet, Feedback Randinterpolation von Skalaren (dynamisch oder passiv): RBF-Rekonstruktion des 2D-Gradienten am Zellmittelpunkt Lineare Extrapolation der prognostischen Variablen und Tendenzen zu den Massenpunkten am Verfeinerungsgebiet Randinterpolation der Geschwindigkeitstendenzen RBF-Rekonstruktion des 2D-Vektors an den Ecken t v n Extrapolation mittels zu den Hauptkantenpunkten Direkte RBF-Rekonstruktion der Geschwindigkeitstendenzen auf den inneren Kantenpunkten des Verfeinerungsgebietes Schwache Randdiffusion für Geschwindigkeit

5 Deutscher Wetterdienst Implementierung des Zwei-Wege-Nestings Feedback: Dynamische Variablen: bilineare Interpolation der Inkremente von den Zellen / Hauptkanten des Verfeinerungsgebiets auf das grobe Gebiet Additive Erhaltungskorrektur der Dichte Tracer: bilineare Interpolation der Massen auf die Zellen des groben Gebiets, danach multiplikative Erhaltungskorrektur und Rückrechnung der spezifischen Größen Bilineares Feedback ist die inverse Operation der gradientenbasierten Interpolation Randinterpolation und Feedback verwenden Dichte und (virtuelle) potentielle Temperatur; ρθ v und π werden danach rediagnostiziert

6 Deutscher Wetterdienst Idealisierte Testfälle Jablonowski-Williamson barokline Welle mit Gitterverfeinerung: Sind die Störungen entlang des Nestrandes klein genug, um die Entwicklung der Strömung nicht nachteilig zu beeinflussen? Modifizierter Jablonowski-Williamson Test mit Feuchte und Wolkenmikrophysik-Parameterisierung Zusammenspiel von Tracertransport und Physik-Kopplung mit Gitterverfeinerung Test für berg-induzierte Rossbywelle mit Gitterverfeinerung: Vergleich zwischen genesteten und global niedrig/hoch aufgelösten Simulationen; Vergleich zwischen Ein-Wege-Nesting (kein Feedback) und Zwei- Wege-Nesting

kleine Anfangsstörung im Windfeld Störung wächst langsam während der ersten 6 Tage, explosive Zyklogenese

7 Entwicklung barokliner Wellen Deutscher Wetterdienst Testfall der Jablonowski-Williamson (2008) Testsuite Ausgangszustand: geostrophisch und hydrostatisch balancierte Strömung mit sehr starker Baroklinität; kleine Anfangsstörung im Windfeld Störung wächst langsam während der ersten 6 Tage, explosive Zyklogenese zwischen Tag 8 und 10 Auflösungen 140 km and 70 km, 35 Modellflächen Ergebnisse nach 10 Tagen Position des Nests

8 Vertikalgeschwindigkeit in ~1.8 km AGL am Tag 10 Deutscher Wetterdienst 70 km 140 km 140 km, nested

9 Barokline Welle mit Feuchtephysik Deutscher Wetterdienst Modifizierter barokline-welle-testfall der Jablonowski-Williamson (2008) Testsuite mit Feuchte und Seifert-Beheng (2001) Wolkenmikrophysik (ein-momenten-version; QC, QI, QR, QS) Anfängliches Feuchtefeld: RH=70% unter 700 hpa, 60% zwischen 500 and 700 hpa, 25% oberhalb 500 hpa; QV max g/kg, um die konvektive Instabilität in den Tropen zu beschränken Transportverfahren für Feuchtevariablen Horizontal: Miura 2. Ordnung mit Flusslimiter Vertikal: 3. Ordnung PPM mit Slope-limiter Auflösung 70 km bzw. 35 km, 35 Schichten Ergebnisse nach 14 Tagen

10 Deutscher Wetterdienst Temperatur in der untersten Modellfläche, Tag km 35 km 70 km, genestet Nest, 35 km

11 Deutscher Wetterdienst QV (g/kg) in 1.8 km AGL, Tag km 35 km 70 km, genestet Nest, 35 km

12 Deutscher Wetterdienst Niederschlagssumme (mm WE) nach 14 Tagen 70 km 35 km 70 km, genestet Nest, 35 km

Deutscher Wetterdienst "Mountain-induced Rossby-wave"-Fall der Jablonowski-Williamson Testsuite Grundzustand: isotherme Atmosphäre, zonale Strömung mit max.

13 Deutscher Wetterdienst "Mountain-induced Rossby-wave"-Fall der Jablonowski-Williamson Testsuite Grundzustand: isotherme Atmosphäre, zonale Strömung mit max. 20 m/s 2000 m hoher Berg mit kreisförmigem Grundriss in 30 N/90 E Hochaufgelöste Läufe: 35 km Maschenweite; 35 Schichten Niedrig aufgelöste Läufe: 140 km Genestete Läufe: 140 km global, 2 Nestungsstufen auf 35 km über dem Berg Ergebnisse nach 20 Tagen Rossbywellenanregung durch einen großskaligen Berg

14 Vorticity (1/s) in der untersten Modellfläche, Tag 20 Deutscher Wetterdienst 35 km 140 km 140 km mit Nestung

15 Vorticity in der untersten Modellfläche, Tag 20, Ausschnitt Deutscher Wetterdienst 35 km global 35 km, Nest 140 km global

16 Horizontalwind in der untersten Fläche (Windfahnen), Vertikalwind in 2.5 km AGL am Tag 20 (Farben) Deutscher Wetterdienst 35 km global 35 km, Nest 140 km

17 Geänderte Gebietskonfiguration Deutscher Wetterdienst Gleicher Testfall wie bisher, aber genestete Gebiete sind nicht zusammenhängend (zusammengesetzt aus 2 "physikalischen" Gebieten) auf der innersten Nestungsebene (35 km Auflösung) durchschneidet die Trennlinie zwischen den physikalischen Gebieten den Berg Der Verfeinerungsschritt von 70 km auf 35 km ist sowohl mit als auch ohne Feedback gerechnet (Vergleich zwischen ein-wege und Zwei- Wege-Nestung) Die Ergebnisse zeigen wie vorher die bodennahe Vorticity am Tag 20, aber mit anderer Graphiksoftware (GMT statt NCL)

18 Vorticity in der untersten Modellfläche, Tag 20 Deutscher Wetterdienst 70 km, 2-Wege 35 km 70 km, 1-Wege 35 km

19 Vorticity at lowest model level on day 20 Deutscher Wetterdienst 35 km, 2-Wege 35 km, 1-Wege 35 km global

20 Deutscher Wetterdienst Zusammenfassung Das 2-Wege-Nesting im ICON erzeugt nur sehr schwache Störungen am Nestrand, obwohl bislang kein Randnudging aktiviert ist funktioniert auch mit Tracertransport and Physikkopplung funktioniert auch mit Nesträndern über Bergen 1-Wege-Nesting benötigt Randnudging, zeigt ansonsten aber nur die erwarteten Unterschiede zum 2-Wege-Nesting Numerische Stabilität wurde bis zu 100 Tagen getestet Randinterpolation / Feedback benötigen ca. 2% der Gesamtrechenzeit des trockenen dynamischen Kerns

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