Validation of the COSMO

Abstract

The objective of this study is to eliminate known deficits in the operational land-surface parameterization (LSP) TERRA-ML of the numerical weather prediction (NWP) model COSMO (Consortium for Small-Scale Modeling). A large deficit represents the drying out of TERRA-ML which leads to an unrealistic runoff simulation during long-time simulations. Earlier studies show that the vertical soil water formulation influences the generation of runoff. The operational TERRA-ML uses a formulation which is not often used in NWP models. This study investigates the impact of the vertical soil water formulation on the runoff generation. This investigation is needed due to the objective of this study to use the LSP scheme as potential flood prediction tool for river catchments.<br /> This study uses a TERRA-ML version coupled to a river routing scheme. The extended system is able to transform the grid based calculated runoff into discharge and allows therefore the prediction of discharge. In addition to the successful implementation of the routing scheme, an alternative vertical soil water transport parameterization is implemented into TERRA-ML in order to estimate the uncertainties on runoff generation. The newly implemented vertical soil water parameterization overestimates total discharge less (6%) than the operational parameterization (20%) when compared to a gauging station located at the lower reaches of the river Sieg during a time period 2005. Due to the drying out of TERRA-ML, the lower boundary condition of the LSP is replaced by SIMTOP (Simple TOPMODEL based runoff scheme), a variable ground water table parameterization. The simulations with SIMTOP show a clearly improved base flow simulation especially during drier periods. A sensitivity analysis based on a factorial design is performed to gain deeper insight into the influence of the crucial parameters on model performance. The result is that the ground water table parameters and the initial soil water conditions influences the model performance strongly.<br /> A complete system is build which allows the prediction of discharge. The drying out deficit in TERRA-ML is removed. The alternative vertical soil water movement parameterization improves the simulation of runoff.

<strong>Validation der COSMO - Landoberflächenparametrisierung TERRA-ML mit Abfluss-Messwerten</strong><br /> Das Ziel dieser Studie ist die Eliminierung bekannter Defizite im operationellen Landoberflächenmodell TERRA-ML des numerischen Wettervorhersagemodells COSMO (Consortium for Small-Scale Modelling). Ein grosses Defizit sind die Austrocknungseffekte während Langzeitsimulationen, die zu unrealistischen Abflusswerten führen. Frühere Studien zeigen das die vertikale Wassertransportparametrisierung die Abflussgenerierung beeinflusst. Die in TERRA-ML operationell verwendete vertikale Wassertransportparametrisierung entspricht einer in der numerischen Wettervorhersage nicht häufig verwendeten Formulierung. Diese Studie untersucht den Einfluss der vertikale Wassertransportparametrisierung auf die Abflussgenerierung. Diese Untersuchung is notwendig um das Ziel dieser Studie umzusetzen, das Landoberflächenmodell TERRA-ML als potenzielles Gerinne-Abflussmodell in Flusseinzugsgebieten zu verwenden.<br /> Diese Studie benutzt eine TERRA-ML Version, die an ein Routing Schema gekoppelt ist. Das somit erweiterte Modell ist in der Lage, den für jede Gitterzelle berechneten Abfluss in Gerinne-Abfluss zu transformieren und somit Abflussvorhersagen zu ermöglichen. Neben dem Routing Schema wurde in TERRA-ML eine alternative vertikale Wassertransportparametrisierung implementiert, um dessen Einfluss auf die Abflussgenerierung abzuschätzen. Die alternativ implementierte vertikale Wassertransportparametrisierung überschätzt den totalen Gerinneabfluss für einen gewählten Beispielzeitraum in 2005 um nur 6% während die operationelle Parametrisierung um 20% überschätzt. Durch Defizite in den Parametrisierungen in TERRA-ML zeigt auch das erweiterte Modellsystem Austrocknugseffekte in Langzeitsimulationen, die zu einer unrealistischen Basisabflussentwicklung führen. Daher wurde als Konsequenz die untere Randbedingung des Landoberflächenmodells durch SIMTOP (Simple TOPMODEL based runoff scheme), einer variablen Grundwasserspiegelparametrisierung, ersetzt. Nach der Implementierung des SIMTOP Ansatzes, zeigt das erweiterte TERRA-ML eine deutliche Verbesserung der Modellgüte. Des Weiteren wurde eine Sensitivitätsstudie basierend auf einem factorial design durchgeführt um zu untersuchen welche Parameter die Modellgüte am meisten beeinflussen. Das Ergebniss zeigt das die Grundwasserspiegelparameter und Bodenfeuchteinitialisierung die Modellgüte wesentlich beeinflussen. <br /> Insgesamt konnte ein komplettes Modellsystem geschaffen werden, was die Vorhersage von Gerinne-Abfluss erlaubt. Des Weiteren konnten die Austrocknungseffekte behoben werden und durch eine alternative vertikale Wassertransportparametrisierung zusätzlich eine Verbesserung in der Abflussgenerierung erreicht werden.