Atmosphäre und Gebirge – - DMG

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Druckgradient viel größer als der horizontale ist. Wird
– wie im GME – ein hybrides Koordinatensystem
(BURRIDGE 1981) verwendet, bei dem ein geländefolgendes
σ-System in Bodennähe mit einem quasi-horizontalen
p-System darüber kombiniert (Abb. 10-2)
wird, so kann der Fehler bei der Berechnung des
Druckgradientterms in der oberen Atmosphäre deutlich
reduziert werden.
Die SLEVE-Koordinate (SCHÄR et al. 2002) stellt einen
alternativen Ansatz zur Reduktion dieses Fehlers
dar. Bei diesem geländefolgenden Koordinatensystem
ist die Transformation durch einen skalenabhängigen,
exponentiellen vertikalen Abfall der Geländestrukturen
charakterisiert. Das Orographiefeld des Modells
wird dazu in zwei Komponenten zerlegt, die die größer-
und kleinerskaligen Variationen der Höhenwerte
beschreiben. Der Einfluss der kleinerskaligen Komponente
auf die Höhenlage der Koordinatenflächen soll
möglichst rasch abfallen, so dass höher gelegene Modellschichten
nur die großskalige Orographie widerspiegeln.
Testrechnungen mit dem LM (LEUENBER-
GER 2002) belegen, dass mit der SLEVE-Koordinate
kleinskaliger numerischer Lärm im Alpenbereich
deutlich verringert werden kann.
3 Orographiedatensätze und Flächenmittelwerte
der Orographie
Zur Bestimmung der Modellorographie als unterem
Rand des atmosphärischen Modells müssen hochaufgelöste
Datensätze der orographischen Höhenverteilung
aufbereitet und auf die Modellgitterelemente projiziert
werden. Derartige Rohdatensätze stehen sowohl
für globale als auch regionale Gebiete in verschiedenen
Auflösungen zur Verfügung. Extrem hochauflösende
Datensätze mit globaler Überdeckung existie-
Druck in hPa
D. Majewski, B. Ritter: Gebirgseinflüsse in Wettervorhersagemodellen
Abb. 10-2: Das hybride Vertikalkoordinatensystem des GME
mit 40 Schichten vom Erdboden bis zur Obergrenze
der Atmosphäre.
promet, Jahrg. 32, Nr. 1/2, 2006
ren zwar (z. B. der sogenannte DTED-1 Datensatz der
Defense Mapping Agency der USA mit einer Auflösung
von 90 m), stehen der Allgemeinheit aber nicht
zur Verfügung. Im DWD wird daher der GLOBE-Datensatz
(GLOBE task team 1999), der in einem regulären
geographischen Gitter eine nominelle Auflösung
von 1 km aufweist, zur Bestimmung der Modellorographie
verwendet. Die mittlere Höhe der Modellgitterpunkte
wird durch einfache arithmetische Mittelung
aller Rohdatenpunkte, die innerhalb des jeweiligen
Gitterelements liegen, bestimmt. Zusätzlich zu den
Mittelwerten werden subskalige Eigenschaften (u. a.
mittlere Standardabweichung der Höhen innerhalb
der Gitterelemente) als Eingangsgrößen für verschiedene
Parameterisierungsverfahren gespeichert, die die
Wirkung der nicht explizit erfassbaren orographischen
Strukturen auf die Atmosphäre beschreiben.
4 Orographische Rauigkeitslänge und
Oberflächenreibung
In den Grenzschichtparameterisierungen von GME
und LM wird der Einfluss der subskaligen Orographie
auf die Oberflächenreibung durch eine orographische
Rauigkeitslänge z 0, oro berücksichtigt. Sie berechnet
sich aus der Varianz der subskaligen Orographie und
erreicht in den Alpen beim GME fast 10 m
(Abb. 10-3). Rauigkeitslängen dieser Größenordnung
führen in der Turbulenzparameterisierung zu einer
deutlichen Abbremsung der Strömung in Bodennähe.
Beträgt bei neutraler Temperaturschichtung beispielsweise
die Windgeschwindigkeit in 60 m über Grund
20 m/s, so wird sie im Niveau 10 m für z 0, oro =0,05m
auf 14,9 m/s, für z 0, oro = 0,5 m auf 12,5 m/s und für
z 0, oro = 5 m sogar auf 5,6 m/s abgebremst. Durch die
Oberflächenreibung in der atmosphärischen Grenzschicht
kann es also in stark gegliedertem Gelände zu
einer drastischen Reduktion der bodennahen Windgeschwindigkeit
im NWV-Modell kommen.
Vergleicht man den vom Modell vorhergesagten Wind
in 10 m über Grund mit Messungen von nahe gelegenen
Bergstationen, so stellt man häufig fest, dass das
Modell die beobachtete Windgeschwindigkeit deutlich
unterschätzt. Bei der Interpretation dieser Ergebnisse
ist aber zu beachten, dass die Modellvorhersage als
Abb. 10-3: Orographische Rauigkeitslänge (Einheit: m) für das
GME im Bereich der Alpen.
Rauigkeitslänge in m