Vortrag_BA
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Evaluierung der Variabilität solarer Strahlung<br />
in Large Eddy Simulationen mit ICON<br />
Jule Radtke<br />
Universität Hamburg<br />
19.06.2018<br />
19.06.2018 Konferenztraining Jule Radtke 1
Motivation<br />
© 2017 - Louise Nuijens<br />
- Variabilität solarer Strahlung - Fingerabdruck des<br />
Wolkenfeldes<br />
- Wolken nach wie vor einer der größten<br />
Unsicherheitsfaktoren in Klimasimulationen<br />
- Entwicklung einer hochaufgelösten Version des<br />
ICOsahedral Non-hydrostatic (ICON) Modell für Large<br />
Eddy Simulationen (LES):<br />
Horizontale Auflösung bis zu 100 m<br />
→ Verständnis von Wolken- und<br />
Niederschlagsprozessen und ihren Implikationen für<br />
die Klimavorhersage verbessern<br />
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Gliederung<br />
• Motivation / Ziel:<br />
Leitfragen:<br />
• Wie gut simuliert die hochaufgelöste ICON-LES-Version die Variabilität eines wolkeninduzierten<br />
inhomogenen Strahlungsfeldes?<br />
• Welchen Mehrwert bietet eine höhere Auflösung?<br />
• Daten, Methodik<br />
• Ergebnisse & Diskussion → Fokus 24.05.2013<br />
• Fazit & Ausblick<br />
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Beobachtungsdaten & Simulationsgebiet<br />
Jülich:<br />
- HD(CP)2 Oberservational Prototype<br />
Experiment (Hope) im Frühling 2013<br />
- 99 Pyranometer auf 10 km x 12 km<br />
Beobachtungsdaten<br />
312m Auflösung<br />
- 55 km Radius<br />
624m Auflösung<br />
- 110 km Radius<br />
Modelldaten:<br />
Initialisierung um 00 UTC<br />
mit COSMO-DE Analysen<br />
Quelle: google<br />
19.06.2018 Konferenztraining Jule Radtke Daten, Methodik 4
Methodik<br />
- Nach dem Prinzip des „nächsten Nachbarn“<br />
→ „Stationszeitreihen“<br />
zeitliche Auflösung 9s<br />
- Globalstrahlung G<br />
→ + Globale Transmission T<br />
→ Vergleich<br />
ICON 624m<br />
Beobachtungen<br />
ICON 312m<br />
COSMO 2,8km<br />
→ Mehrwert höhere Auflösung?<br />
Abbildung 2.3: Räumliche Verteilung der Pyranometer-Stationen<br />
sowie der extrahierten „Stationen“ aus ICON mit 312m Auflösung<br />
und 624m Auflösung.<br />
→ Verschiedene Flächengrößen, Zeitmaßen: Glätten, …<br />
→ Gibt es zeitliche oder räumliche Skalen mit besserer<br />
Übereinstimmung der Variabilität?<br />
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Untersuchte Tage<br />
starke Cumulus-Bewölkung Wolkenfreiheit leichte Cumulus-Bewölkung<br />
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25.04.13 – Cumulus-Bewölkung<br />
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25.04.13 – Cumulus-Bewölkung<br />
Abbildung 3.2: Zeitliche Variabilität des a) Mittelwerts (Mw) und der Standardabweichung (Std) der räumlichen Globalstrahlung, b) Mittelwerts, Medians<br />
(M), Maximums und Minimums (MM) der räumlichen Werte globaler Transmission von Pyranometer und ICON, c) Zeit-Azimuth Plots einer Wolkenkamera,<br />
d) Häufigkeitsverteilung aller räumlichen und zeitlichen Werte globaler Transmission ICONs und des Pyranometer-Netzwerkes für 07:00 bis 17:00.<br />
Überschätzung?<br />
Zu wenig tiefe Werte in Raum und Zeit<br />
→ kein Schattenmodalwert<br />
Fehlender Kulisseneffekt<br />
- Limitation 1D Strahlungstransport<br />
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Vergleich zu den Beobachtungen<br />
- Verteilung der globalen Transmission von ICON<br />
- für wolkenfreie Phasen ist wie die<br />
Beobachtungen unimodal<br />
- eines Zeitabschnittes mit Cumulus Bewölkung<br />
fehlt die eindeutige bimodiale Eigenschaft =<br />
charakteristischen Häufigkeiten wolkenfreier<br />
und bewölkter Anteile.<br />
→ Das Modell ist in dieser Hinsicht zu<br />
unscharf.<br />
→ zeitliche und räumliche Variabilität der<br />
Beobachtungen bei Cumulus Bewölkung nicht erreicht.<br />
- Überschätzung der Globalstrahlung als<br />
systematischen Fehler ICONs → BIAS 35 - 100 Wm 2<br />
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Vergleich der Auflösungen - 624m vs 312m<br />
• 312m Auflösung: Schattenfeld inhomogener<br />
und differenzierter→ kleinere Wolken<br />
• 624m Auflösung: geringere Strahlungswerte<br />
→optisch dickere Wolken<br />
• Verluste an Variabilität durch zeitliche und<br />
räumliche Mittelung treten bei 312m<br />
Auflösung früher auf:<br />
• Bei der 312m Auflösung ab etwa 5 min und<br />
5 x 5 km 2<br />
• bei der 624m Auflösung ab etwa 20 min und<br />
7 x 7 km 2 auf.<br />
→ Kleinere Skalen tragen kaum zur Variabilität<br />
bei.<br />
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Vergleich der Auflösungen - ICON (100m) vs COSMO (2,8km)<br />
Tabelle 3.2: Fehlerstatistiken den räumlichen Mittels der<br />
Globalstrahlung ICONs, COSMOs und des Pyranometer-<br />
Netzwerks.<br />
- Nachmittagsbewölkung wird mit der<br />
höheren Auflösung von ICON-LES im<br />
Gegensatz zu COSMO mit einer<br />
gröberen Auflösung von 2,8 km<br />
erfolgreich simuliert.<br />
- Verteilung der Transmissionswerte<br />
bei ICON um 40% breiter als bei<br />
COSMO.<br />
- → Mehr Variabilität, Mehrwert der<br />
feineren Auflösung<br />
Abbildung 3.7: Häufigkeitsverteilung aller<br />
räumlichen und zeitlichen Werte globaler<br />
Transmission ICONs, COSMOs und des<br />
Pyranometer-Netzwerkes.<br />
- Dem entgegen steht ein höherer BIAS<br />
von ICON (>100Wm2) im Vergleich zu<br />
COSMO (35Wm2).<br />
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Fazit & Ausblick<br />
Wie gut simuliert die hochaufgelöste ICON-LES-Version die Variabilität eines wolkeninduzierten<br />
inhomogenen Strahlungsfeldes? Welchen Mehrwert bietet eine höhere Auflösung?<br />
• ICON simuliert mit einer verwendeten Auflösung von 624m und 312m mehr Variabilität gegenüber der 2,8<br />
km Auflösung des Modells COSMO.<br />
• Demgegenüber Überschätzung der Globalstrahlung, ICON höherer BIAS von bis zu 100Wm 2<br />
• Teil der Überschätzung auf einen Mangel an Wolken zurückzuführen, da tiefe Strahlungswerte zu wenig<br />
auftreten<br />
• Zugleich fehlen hohe Transmissionswerte, weil der Kulisseneffekt als eine Limitation der verwendeten 1D<br />
Strahlungstransferrechnung nicht berücksichtigt wird.<br />
• Hohe zeitliche und räumliche Variabilität der beobachteten Strahlung bei Cumulus Bewölkung wird mit<br />
keiner Auflösung ICONs erreicht, auch nicht auf gröberen Skalen (keiner Konvergenz)<br />
• Verlust durch Mittelung bei der 312m Auflösung ab etwa 5 min und 5 x 5 km2, bei der 624m Auflösung ab<br />
etwa 20 min und 7 x 7 km2 → Kleinere Skalen tragen kaum zur Variabilität bei.<br />
→ Mehr Simulationstage, Frequenzabhängigkeit weiter mit Wavelets und Frequenzspektren untersuchen,<br />
weiter auflösen…<br />
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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!<br />
Fragen?<br />
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Wolkenfrei: 04.05.<br />
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05.05. – leichte Cumulus-Bewölkung<br />
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