Evaluierung des Stadtklimamodells PALM-4U für Stuttgart

In Großstädten und Stadtregionen besteht ein besonders hoher Bedarf an gebäudeauflösenden, atmosphärischen Stadtklimamodellen, die klimarelevante Simulationen ermöglichen. Der Grund für deren Bedarf sind die modifizierten atmosphärischen Prozesse, die durch die hohe Bevölkerungsdichte einerseits und die Stadtstrukturen und das komplexe Gelände andererseits hervorgerufen werden. Ein solches Modell ist das neu entwickelte Stadtklimamodell PALM-4U [1]. Seine Weiterentwicklung, Optimierung und Evaluierung ist das Ziel der zweiten Phase der BMBF- Fördermaßnahme „Stadtklima im Wandel" ([UC]2) [2].

Am IMK beschäftigen wir uns mit der PALM-4U-Evaluierung für die atmosphärische Grenzschicht in Städten in orographisch gegliedertem Gelände. Das Ziel ist es, die atmosphärische Grenzschicht zu simulieren und die Ergebnisse wie Wind, Temperatur, Turbulenz mit Messungen zu vergleichen und dadurch das Modell zu evaluieren. Die für die Evaluierung benötigten Messungen erfolgten in Stuttgart in den Jahren 2017-2018. Sie wurden mithilfe zweier Doppler-Wind-LIDARe “Windcube WLS8” (Lidar 1) und HALO Photonics (Lidar 2) sowie mit einem MikrowellenRadiometer HATPRO durchgeführt. Doppler LIDARe wurden zur Erfassung vertikaler Profile von dreidimensionalen Windkomponenten benutzt. Das Mikrowellen-Radiometer diente zur Ermittlung von vertikalen Temperatur- and Feuchteprofilen.

Ein Arbeitsschwerpunkt liegt auf der Simulation der Struktur und Entwicklung der konvektiven Grenzschicht (CBL). Um die CBL zu charakterisieren, müssen die turbulenten Prozesse erfasst werden. Die Turbulenzparameter lassen sich aus zeitlich hochaufgelösten Messungen/Simulationen der Vertikalgeschwindigkeit bestimmen. Infolgedessen wurden zeitlich hochaufgelöste, stationsbezogene Modellergebnisse des Vertikalwindes analysiert.

Die PALM-4U-Simulationen wurden für einen wolkenfreien Sommertag, den 20. Juni 2018 durchgeführt. Information über Orographie und Landnutzung wurde vom DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) zur Verfügung gestellt. Die meteorologischen Antriebsdaten für die Simulation basierten auf operationellen Ausgaben des mesoskaligen Modells COSMO-D2 (Deutscher Wetterdienst, DWD). Das Modellgebiet hat die Größe von 12km x 12km x 2.4km in x-, y-and z-Richtung und umfasst das Stuttgarter Becken und einen Teil des Neckartals (Abb. 1). Die Gitterweite beträgt 10 m in alle Richtungen. Abbildung 1b zeigt den Vertikalwind in einem horizontalen Querschnitt auf 500 m Höhe nach 12 Stunden Simulationszeit (12 UTC). In Abbildung 1c/1d sind zeitlich hochaufgelöste Vertikalwindmessungen/-Simulationen an der Messtation „Lidar2“ dargestellt. Der nächste Schritt besteht darin, Turbulenzparameter wie die Varianz der Vertikalgeschwindigkeit, die integrale Längenskala und das Wellenlängenmaximum im Energiespektrum aus Simulationen/Messungen abzuleiten und miteinander zu vergleichen. Ein weiterer Schwerpunkt der Evaluierungsarbeiten ist die stationsbezogene Validierung der Horizontalwindfelder aus Messungen mit virtuellen Masten [3].

Literatur:

[1] Maronga B., et al., (2020). Overview of the PALM model system 6.0. Geoscientific Model Development 13, https://doi.org/10.5194/gmd-13-1335-2020

[2] Scherer, D.; Antretter, F., Bender, S.; Cortekar, J.; Emeis, S.; Fehrenbach, U.; Gross, G.; Halbig, G.; Hasse, J.; Maronga, B; Raasch, S; Scherber, K. (2019). Urban Climate Under Change [UC]2 – A National Research Programme for Developing a Building-Resolving Atmospheric Model for Entire City Regions. Meteorologische Zeitschrift, https://doi.org/10.1127/metz/2019/0913

[3] Wittkamp, N.; Adler, B.; Kalthoff, N.; Kiseleva, O. (2021). Mesoscale wind patterns over the complex urban terrain around Stuttgart investigated with dual-Doppler lidar profiles. Meteorologische Zeitschrift, 30 (2), 185–200. https://doi.org/10.1127/metz/2020/1029

17.6.2022

Olga Kiseleva, Leonhard Gantner, Arbeitsgruppe: “Grenzschicht und konvektive Systeme“ LINK: https://www.imk-tro.kit.edu/782.php