Implementierung eines Schneedriftmoduls in das Weather Research and Forecasting (WRF) Modell und eine erste Evaluation

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2021-09-27
Issue Year
2021
Authors
Schmid, Christina
Editor
Abstract

Snowdrift is the transport of snow particles, initiated when wind above a certain threshold erodes snow grains from a snow-covered surface. Resulting snow redistribution processes can have a significant influence on the mass balance of ice sheets or glaciers. In particular, the sublimation of snow particles suspended in the air can lead to mass loss.

Through intensive research on sand and snow transport by the wind, empirical relationships and mathematical descriptions of these physical processes have been found. Despite the complexity of the science of two-phase flow and its modeling, many studies have shown that snow drift models are able to display snow redistribution processes on glaciers or ice sheets. However, snow drift is still neglected in many models of the glacier mass balance.

The aim of this work is to implement a snow drift parameterization into a prominent mesoscale atmospheric model (WRF), which is widely used in the research fields of the atmosphere and cryosphere. Compared to the large number of physical parameterizations on processes of microphysics, radiation, land surface, convection and atmospheric boundary layer, the implementation of snow redistribution processes in WRF has hardly been developed yet. The built-in model equations are calculated in four modules of erosion, particle size and particle fall velocity, deposition and snow drift sublimation. Similar to other physical parameterizations in WRF, these can be selected by the model settings. As a result, simulations can be carried out in an idealized as well as realistic environment. The snow drift model is linked to the use of the land surface model Noah-MP.

The first evaluation of the model with mesh sizes of about 200 meters shows that the implemented snow drift equations produce expected results of snow redistribution considering the fluid dynamics of wind. Accordingly, the largest snow removal takes place in areas on the mountain peaks with high friction velocity, while snow deposition occurs on rather leeward sides. By means of sensitivity runs in an idealized and realistic environment, the effects of the change of individual parameters were tested and verified. The results of the sensitivity runs corresponded to the theoretical expectations and did not result in any inconsistencies.

The realistic model simulation was carried out at the Hintereisferner Glacier in the main Alpine ridge region (Austria). Measurements and observations of the mass balance have been carried out on the glacier for decades. The model run was able to represent the general weather situation of the study period and measured meteorological variables compared to the installed weather stations. The comparison of horizontal mass fluxes of snow drift with a FlowCapt instrument mounted on the glacier showed good agreement in terms of quality and quantity. However, measurement uncertainties of the sensor must be considered. The calculated local sublimation amounts of snow drift on the Hintereisferner were very similar to related studies carried out in the Alpine region.

Occurring mass losses that cannot be fully explained are the main shortcoming of the snow drift code. Problems with mass conservation may occur in the transport equation of the WRF model. A concrete solution is not yet known, but various suggestions for improving the previous program code are being submitted. Overall, the first calculations of the built-in model equations showed good results. Further testing and evaluation of the model therefore seems promising.

Abstract

Schneedrift beschreibt den Prozess, bei dem Schneepartikel von einer Schneeoberfläche durch den darüber streichenden Wind in die Luft aufgenommen und transportiert werden. Dadurch entstehende Schneeumverteilungsprozesse können einen erheblichen Einfluss auf die Massenbilanz von Eisschilden oder Gletschern haben. Besonders die Sublimation von in der Luft schwebenden Schneepartikeln kann dabei zu Schneemassenverlusten führen.

Durch intensive Forschungen zum Sand- und Schneetransport durch den Wind konnten empirische Zusammenhänge und mathematische Beschreibungen dieser physikalischen Prozesse gefunden werden. Trotz der Komplexität der Wissenschaft der Zweiphasenströmung und deren Modellierung wurde in vielen Studien gezeigt, dass Schneedriftmodelle in der Lage sind, Schneeumverteilungsprozesse auf Gletschern oder Eisschilden abzubilden. Allerdings wird die Schneedrift immer noch in vielen Modellierungen der Gletschermassenbilanz vernachlässigt.

Das Ziel dieser Arbeit ist der Einbau einer Schneedriftparametrisierung in ein prominentes mesoskaliges Atmosphärenmodell (WRF), welches in den Forschungsfeldern der Atmosphäre und Kryosphäre vielfach Anwendung findet. Gemessen an der großen Anzahl an physikalischen Parametrisierungen zu Prozessen der Mikrophysik, Strahlung, Landoberfläche, Konvektion und atmosphärischen Grenzschicht ist der Einbau von Schneeumverteilungsprozessen in WRF noch kaum entwickelt. Die eingebauten Modellgleichungen werden in vier Modulen der Erosion, der Partikelgröße und Fallgeschwindigkeit, der Deposition und der Schneedriftsublimation berechnet. Diese können ähnlich wie andere physikalische Parametrisierungen in WRF durch die Modelleinstellungen ausgewählt werden. Dadurch können Simulationen in idealisierter, sowie auch realistischer Umgebung durchgeführt werden. Das Schneedriftmodell ist dabei an die Verwendung des Landoberflächenmodells Noah-MP geknüpft.

Die erste Evaluation des Modells mit Maschenweiten von etwa 200 Metern zeigt, dass die implementierten Schneedriftgleichungen nach Betrachtungen der Strömungsdynamik erwartete Ergebnisse der Schneeumverteilung produzieren. Demnach finden die größten Schneeabtragungen in Bereichen auf den Gebirgsspitzen mit hoher Reibungsgeschwindigkeit statt, während Schneeablagerungen an eher windabgewandten Seiten auftreten. Durch Sensitivitätsläufe in idealisierter und realistischer Umgebung konnten die Auswirkungen der Veränderung einzelner Parameter getestet und überprüft werden. Die Ergebnisse der Sensitivitätsläufe entsprachen dabei den theoretischen Erwartungen und ergaben in sich keine Widersprüche.

Die realitätsnahe Modellsimulation wurde für den Hintereisferner Gletscher in der Alpenhauptkamm-Region (Österreich) durchgeführt. Auf diesem finden seit Jahrzehnten Messungen und Beobachtungen der Massenbilanz statt. Der Modelllauf konnte die Großwetterlage des Untersuchungszeitraums und gemessene meteorologische Variablen der dort installierten Wetterstationen gut repräsentieren. Der Abgleich horizontaler Massenflüsse der Schneedrift mit einem auf dem Gletscher befestigten FlowCapt Instrument zeigte qualitativ und quantitativ gute Übereinstimmung. Dabei müssen jedoch messtechnische Unsicherheiten des Sensors beim Registrieren von Schneedriftpartikeln bedacht werden. Die berechneten lokalen Sublimationsmengen der Schneedrift auf dem Hintereisferner wiesen große Ähnlichkeit zu verwandten, im Alpenraum durchgeführten Studien auf.

Schwachstellen des verwendeten Schneedriftcodes liegen in teilweise nicht vollständig erklärbaren Massenverlusten. Probleme bei der Massenerhaltung treten möglicherweise in der Transportgleichung des WRF Modells auf. Ein konkreter Lösungsansatz ist bisher nicht bekannt, dennoch werden verschiedene Vorschläge zur Verbesserung des bisherigen Programmcodes eingebracht. Insgesamt führten die ersten Berechnungen der eingebauten Modellgleichungen zu guten Ergebnissen. Ein weiteres Testen und Evaluieren des Modells erscheint daher vielversprechend.

DOI
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