LM-PAFOG - a new three-dimensional fog forecast model with parametrised microphysics

Abstract

<p>The presence of fog and low clouds in the lower atmosphere can have a critical impact on both airborne and ground transports and is often connected with serious accidents. An improvement of fog forecasts in terms of localisation, duration and variations in visibility therefore holds an immense operational value for the field of transportation in conditions of low visibility. However, fog is generally a small scale phenomenon which is mostly affected by local advective transport, turbulent mixing at the surface as well as its microphysical structure. Therefore, a detailed description of the microphysical processes within the three-dimensional dynamical core of the forecast model is necessary. For this purpose, a new microphysical parametrisation based on the one-dimensional fog forecast model, PAFOG, was implemented in the “Lokal Modell” (LM), the nonhydrostatic mesoscale model of the German Meteorological Service. The implementation of cloud water droplets as a new prognostic variable allows a detailed definition of the sedimentation processes and the variations in visibility. A horizontal resolution of 2.8 km and a vertical resolution of 4 m describe the boundary layer processes, forecasted by LM-PAFOG. In the framework of the COST 722 intercomparison campaign, the evaluation of the LM-PAFOG forecasts, based on statistical study and case studies, points out the variability of the model performance between day and night time periods. Moreover, the comparisons with other fog forecast systems highlight the decisive influence of an adapted data assimilation scheme for the high grid resolution model, as well as the necessary calibration of a visibility parametrisation. Finally, due to the lack of information concerning the observed fog spatial extension, a verification scheme with MSG satellite products for fog and low stratus is tested.</p>

<p><b>LM-PAFOG: ein neues dreidimensionales Nebelvorhersagemodell mit parametrisierter Mikrophysik<br /></b> Nebel und tief hängende Wolken beeinträchtigen häufig den Luft- und Straßenverkehr; schwere Unfälle sind immer wieder die Folge. Vor diesem Hintergrund leistet eine verbesserte Nebelvorhersage, bezüglich der Lokalisierung von Nebelereignissen, der Vorhersage von der Nebeldauer sowie der Schwankungen der Sichtweite, einen immensen Beitrag zur Effizienz im Transportwesen. Nebel als ein kleinräumiges Phänomen wird durch advektiven Transport, turbulente Durchmischung an der Erdoberfläche, sowie mikrophysikalische Prozesse beeinflusst. Daher ist für eine realistische Nebelvorhersage eine detaillierte Beschreibung der mikrophysikalischen Prozesse unerlässlich. Eine verbesserte Beschreibung der mikrophysikalischen Prozesse wurde durch die Kopplung des eindimensionalen Nebelmodells PAFOG mit parametrisierter Nebelmikrophysik mit dem mesoskaligen numerischen Wettervorhersagemodell des Deutschen Wetterdienstes, erreicht. Durch die Einführung einer neuen prognostischen Variable, die Wolkenkondensationskerne, werden die Sedimentationsprozesse sowie die Sichtweitenschwankungen besser beschrieben. Neben der erweiterten Mikrophysik zeichnet sich das Nebelmodell LM-PAFOG vor allem durch eine höhere horizontale Auflösung von 2.8 km und eine feine vertikale von 4 m aus, wodurch eine bessere Beschreibung der Grenzschichtprozesse erreicht wird. Mit Hilfe der im Rahmen der COST 722 durchgeführten Vergleichsstudie wurde LM-PAFOG evaluiert. Eine statistische Analyse sowie einige Fallstudien zeigen die Modellvariabilität zwischen Tag und Nacht. Auch der Vergleich mit anderen europäischen Nebelvorhersagemodellen zeigt die herausragende Bedeutung eines adaptiven Datenassimilationsschemas für hoch aufgelöste Modelle. Des weiteren hat die Kalibrierung der Sichtweitenparametrisierung einen großen Einfluss auf die Nebelvorhersage. Da es nur wenig Beobachtungen gibt, die die Nebelausbreitung beschreiben, wurde ein Verifikationsschema auf Grundlage von MSG-Satelliten für Nebel und tief hängenden Stratus getested.</p>

<b>LM-PAFOG: un nouveau modèele tridimensionnel de prévision du brouillard à microphysique parametréee<br /></b>La présence de brouillard et de nuages bas occasionne des perturbations des transports aériens et routiers et peut être à l'origine d'accidents graves. Une amélioration des prévisions de brouillard en termes de localisation, durée de l'épisode et des variations de visibilité serait un apport considérable pour la gestion des transports et la sécurité en condition de visibilité réduite. Cependant, le brouillard est en général un phénomène de petite échelle, influencé aussi bien par les transports advectifs locaux, les échanges turbulents à la surface ainsi que par sa structure microphysique. Une description détaillée des processus microphysiques dans une dynamique atmosphérique tridimensionnelle est essentielle. Une paramétrisation microphysique basée sur le modèle unidimensionnel de prévision du brouillard, PAFOG, a été introduite dans le modèle méso-échelle tridimensionnel non-hydrostatique, "Lokal Modell". L'introduction de la concentration en goutte d'eau nuageuse comme nouvelle variable pronostique donne une description detaillée des processus de sédimentation et des variations de la visibilité. De plus, une résolution horizontale de 2.8 km et une résolution verticale de 4 m décrivent les processus de la couche limite simulés par LM-PAFOG. Dans le cadre de la campagne d'intercomparaison COST 722, l'évaluation des prévisions de LM-PAFOG, basée sur une étude statistique et des études de cas, montre la dispersion des performances du modèle entre les périodes de jour et de nuit. De plus, des comparaisons avec d'autres systèmes de prévision du brouillard pointent l'influence d'un schéma d'assimilation adapté pour un modèle ayant une haute résolution, ainsi que celle de la calibration nécessaire de la paramétrisation de la visibilité. Enfin, à cause d'un manque d'informations concernant l'extention spatial du brouillard observé, un schéma de verification utilisant des produits satellites pour le brouillard et les stratus bas a été testé. <br /><b>Mots clés:</b> brouillard, visibilité, modélisation tridimensionnelle, microphysique paramétrée, "Lokal Modell", PAFOG, projet COST 722, inter-comparaison de modèles, vérification satellite.