Representation of deep convection at gray-zone resolutions - Implementing and testing the HYbrid MAss flux Convection Scheme (HYMACS) in the ICON model

Abstract

Despite the increasing computing resources, the grids of contemporary atmospheric models are often still too coarse to explicitly represent convective processes. Since these processes are known to be an important driver of atmospheric dynamics, convection parametrization schemes must be deployed which have been developed over several decades. However, recent applications of regional climate and operational numerical weather prediction models have reached spatial resolutions where the overturning circulation of deep convection becomes partly resolved onto grid-scale. The so-called gray-zone of deep convection imposes challenges to the conventional parametrization approach which have attained increasing scientific attention in the last two decades. <br /> The present work implements and tests extensively the HYbrid MAss flux Convection Scheme (HYMACS) in the ICOsahedral Non-hydrostatic (ICON) model. In contrast to other convection parametrization schemes, HYMACS passes the compensational subsidence to the grid-scale dynamics, thereby allowing for a net mass transport. While the scheme has been developed since the pioneering work of Kuell et al. (2007), it has only been tested in a couple of case studies with the COSMO (COnsortium for Small-scale Modeling) model. Although the hybrid scheme improved the representation of convection at gray-zone resolutions in these studies, a statistically well founded assessment of the merits of HYMACS is still outstanding. Besides, its implementation into ICON is appealing since the new hosting model is designed to operate over a broad range of spatial resolutions. <br /> This thesis starts with a in-depth introduction of the theoretical framework of HYMACS and documents recent developments of the scheme. Apart from some required adaptions of the physics-dynamics coupling with ICON, problems in conjunction with the numerical filter in the model’s dynamical core are identified. The operational anisotropic divergence damping operator distorts the dynamical flow response to a parametrized net mass transport and therefore has to be revised. Different numerical filter operators are investigated in dynamical core tests on the sphere and in mass lifting experiments. Based on these tests, a revised filter configuration is proposed which is compatible with HYMACS and which efficiently removes computational noise. <br /> With the revised numerical filter configuration, a series of re-forecasts over Central Europe spanning a summery three-monthly period is conducted to analyze the performance of HYMACS in ICON. It is demonstrated that the hybrid scheme captures the convectively driven diurnal cycle of precipitation better than the operational convection parametrization scheme. The modelled marginal distribution of precipitation amounts and the spatial patterns of precipitation also get improved. Albeit the statistical analysis confirms the results of former case studies, issues to the net mass transport of shallow convection are identified as well. Nonetheless, the merits are encouraging and this work is considered to serve as the basis for further developments focusing on the scale adaptivity of HYMACS in the modeling framework of ICON.

<strong>Repräsentation von hochreichender Konvektion in der konvektiven Grauzone - Implementierung und Untersuchung des hybriden Massenfluss Konvektionsschemas HYMACY im ICON Modell</strong> <br /> Trotz steigender Rechenleistung sind die Gitter heutiger Atmosphärenmodelle oft noch zu grob, um konvektive Prozesse explizit zu repräsentieren. Da diese einen wichtigen Antrieb der atmosphärischen Dynamik darstellen, werden Konvektionsparametrisierungen eingesetzt, die bereits seit mehreren Jahrzehnten entwickelt werden. Aktuelle Anwendungen regionaler Klima- und operationeller Wettervorhersage-Modelle erreichen jedoch eine räumliche Auflösung, die die Umwälzzirkulation hochreichender Konvektion teilweise auf der Gitterskala abbilden können. Diese so genannte Grauzone hochreichender Konvektion stellt den konventionellen Parametrisierungsansatz vor Herausforderungen, die in den letzten beiden Jahrzehnten zunehmende wissenschaftliche Beachtung erlangt haben. <br /> In der vorliegenden Arbeit wird das hybride Massenfluss Konvektionsschema HYMACS in das ICOsahedral Non-hydrostatic (ICON) Modell implementiert und ausgiebig getestet. Anders als gängige Konvektionsparametrisierung-Schemata überlässt HYMACS das kompensatorische Absinken der gitterskaligen Dynamik und ermöglicht auf diese Weise einen Nettomassentransport. Obwohl das Schema bereits seit der wegweisenden Arbeit von Kuell et al. (2007) entwickelt wird, wurde es bisher nur in einigen Fallstudien mit dem COSMO (COnsortium for Small-scale Modeling) Modell getestet. Das hybride Schema verbesserte in diesen Studien zwar die Darstellung hochreichender Konvektion in der Grauzone, eine statistisch fundierte Auswertung der Vorzüge von HYMACS wurde jedoch noch nicht durchgeführt. Zudem erscheint eine Implementierung in ICON attraktiv, da dieses Modell für ein breites Spektrum räumlicher Auflösungen entwickelt wurde. <br /> Diese Arbeit beginnt mit einer ausführlichen Einführung in die Grundlagen von HYMACS und dokumentiert die jüngsten Weiterentwicklungen des Schemas. Zusätzlich zu den notwendigen Anpassungen der Physik-Dynamik-Kopplung mit ICON aufgrund des alternativen Parametrisierungsansatzes, ergeben sich Probleme in Verbindung mit dem numerischen Filter des Modells. Die operative anisotrope Divergenzdämpfung verzerrt die dynamische Antwort auf einen parametrisierten Nettomassentransport, so dass diese angepasst werden muss. Verschiedene numerische Filteroperatoren werden sowohl in Tests des dynamischen Kerns auf der Kugel als auch in in Massenauftriebsexperimenten untersucht. Auf Grundlage dieser Tests wird eine revidierte Filterkonfiguration vorgeschlagen, die mit HYMACS kompatibel ist und die numerisches Rauschen effizient entfernt. <br /> Mit der überarbeiteten numerischen Filterkonfiguration wird eine Testreihe von Vorhersagen über drei Sommermonate im mitteleuropäischen Raum durchgeführt, um die Leistung von HYMACS in ICON zu analysieren. Es wird gezeigt, dass das hybride Schema den konvektiv bestimmten Tagesgang des Niederschlags besser erfasst, als das operationelle Schema zur Parametrisierung von Konvektion. Die modellierte Randverteilung der Niederschlagsmengen und die räumlichen Muster des Niederschlags werden ebenfalls besser repräsentiert. Während die statistische Analyse damit die Ergebnisse früherer Fallstudien bestätigt, werden auch Probleme aufgrund des Nettomassentransports der flachen Konvektion identifiziert. Gleichwohl sind die Ergebnisse vielversprechend, so dass diese Arbeit als Ausgangspunkt für skalenadaptive Weiterentwicklungen von HYMACS in ICON dient.