On the behaviour of some physical parameterization methods in high-resolution numerical weather prediction models

Modern-day weather forecasting is highly dependent on Numerical Weather Prediction (NWP) models as the main data source. The evolving state of the atmosphere with time can be numerically predicted by solving a set of hydrodynamic equations, if the initial state is known. However, such a modelling approach always contains approximations that by and large depend on the purpose of use and resolution of the models. Present-day NWP systems operate with horizontal model resolutions in the range from about 40 km to 10 km. Recently, the aim has been to reach operationally to scales of 1 4 km. This requires less approximations in the model equations, more complex treatment of physical processes and, furthermore, more computing power. This thesis concentrates on the physical parameterization methods used in high-resolution NWP models. The main emphasis is on the validation of the grid-size-dependent convection parameterization in the High Resolution Limited Area Model (HIRLAM) and on a comprehensive intercomparison of radiative-flux parameterizations. In addition, the problems related to wind prediction near the coastline are addressed with high-resolution meso-scale models. The grid-size-dependent convection parameterization is clearly beneficial for NWP models operating with a dense grid. Results show that the current convection scheme in HIRLAM is still applicable down to a 5.6 km grid size. However, with further improved model resolution, the tendency of the model to overestimate strong precipitation intensities increases in all the experiment runs. For the clear-sky longwave radiation parameterization, schemes used in NWP-models provide much better results in comparison with simple empirical schemes. On the other hand, for the shortwave part of the spectrum, the empirical schemes are more competitive for producing fairly accurate surface fluxes. Overall, even the complex radiation parameterization schemes used in NWP-models seem to be slightly too transparent for both long- and shortwave radiation in clear-sky conditions. For cloudy conditions, simple cloud correction functions are tested. In case of longwave radiation, the empirical cloud correction methods provide rather accurate results, whereas for shortwave radiation the benefit is only marginal. Idealised high-resolution two-dimensional meso-scale model experiments suggest that the reason for the observed formation of the afternoon low level jet (LLJ) over the Gulf of Finland is an inertial oscillation mechanism, when the large-scale flow is from the south-east or west directions. The LLJ is further enhanced by the sea-breeze circulation. A three-dimensional HIRLAM experiment, with a 7.7 km grid size, is able to generate a similar LLJ flow structure as suggested by the 2D-experiments and observations. It is also pointed out that improved model resolution does not necessary lead to better wind forecasts in the statistical sense. In nested systems, the quality of the large-scale host model is really important, especially if the inner meso-scale model domain is small.

Sään ennustaminen perustuu suurelta osin numeerisen sääennustusjärjestelmän tuottamaan aineistoon. Ilmakehän tila voidaan ennustaa ratkaisemalla numeerisesti ilmakehää kuvaava yhtälöryhmä, kun alkutila tunnetaan. Ilmakehämallit sisältävät kuitenkin enemmän tai vähemmän yksinkertaistuksia riippuen mallien erotuskyvystä ja käyttötarkoituksesta. Nykyään operatiivisten sääennustusjärjestelmien vaakasuuntainen erotuskyky eli hilaväli on noin 10 40 km. Lähitulevaisuuden tavoite on saavuttaa 1 4 km erotuskyky operatiivisissa sääennustusjärjestelmissä. Tavoite vaatii malliyhtälöiden sisältämien yksinkertaistuksien vähentämistä, fysikaalisten prosessien monimutkaisempaa kuvaamista sekä enemmän laskentatehoa. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan fysikaalisten prosessien laskentamenetelmiä tarkan erotuskyvyn sääennustusmalleissa. Päähuomio kohdistuu sääennustusjärjestelmä HIRLAMin (High Resolution Limited Area Model) konvektiivisten ilmiöiden (mm. ukkospilvet) laskentamenetelmiin sekä maan pinnalle tulevien säteilyvoiden arvioimiseen usean eri laskentamenetelmän avulla. Työssä tarkastellaan erityisesti sitä, miten nykyisiä laskentamenetelmiä tulisi parantaa, jotta ne soveltuisivat myös tarkan erotuskyvyn sään ennustamiseen. Väitöskirjassa tutkitaan lisäksi tuulen ennustamista tarkan erotuskyvyn ilmakehämalleilla rannikon läheisyydessä. Tutkimuksessa havaittiin, että tarkan erotuskyvyn sääennustusmalleille on selvästi hyötyä hilavälistä riippuvasta konvektion laskentamenetelmästä. Tulokset osoittavat, että kyseisen riippuvuuden sisältävä HIRLAMin laskentamenetelmä parantaa sade-ennusteita 5.6 km hilaväliä käytettäessä. Kun erotuskykyä tarkennetaan tätä paremmaksi, mallin taipumus yliarvioida voimakkaita sateita kuitenkin kasvaa. Sääennustusmalleissa käytetyt pitkäaaltoisen säteilyvuon laskentamenetelmät tuottavat pilvettömissä tilanteissa selvästi parempia tuloksia kuin yksinkertaiset kokeelliset laskentamenetelmät. Sen sijaan lyhytaaltoisen säteilyvuon laskennassa myös kokeelliset menetelmät osoittautuvat kilpailukykyisiksi monimutkaisiin menetelmiin verrattuna. Tutkimuksessa havaittiin, että sääennustusmalleissa käytettävien säteilyn laskentamenetelmien kuvaama ilmakehä on hieman liian läpinäkyvä sekä pitkä- että lyhytaaltosäteilylle pilvettömissä olosuhteissa. Tästä huolimatta kyseiset mallit tuottavat yleisesti parempia tuloksia kuin yksinkertaiset menetelmät. Kaksiulotteiset mesoskaalan mallikokeet osoittavat, että matalan suihkuvirtauksen muodostuminen Suomenlahden ylle johtuu inertiaalivärähtelymekanismista, kun laajan skaalan tuulen suunta on joko kaakosta tai lännestä. Suihkuvirtaus voimistuu entisestään merituulikiertoliikkeen vaikutuksesta. Tutkimuksessa havaittiin, että erotuskyky (hilaväli 7.7 km), joka jo lähes vastaa nykyisten operatiivisten sääennustusmallien hilaväliä, on riittävä muodostamaan samankaltaisen matalan suihkuvirtauksen kuin kaksiulotteiset mallikokeet ja havainnot osoittavat. FM Sami Niemelä (s. 12.11.1975 Jyväskylän maalaiskunnassa) kirjoitti ylioppilaaksi Palokan lukiosta vuonna 1994, jonka jälkeen hän on suorittanut FM tutkinnon Helsingin Yliopiston Meteorologian laitoksella vuonna 2000.