Parametrizace oblačnosti v numerickém předpovědním modelu

• Název práce v češtině: Parametrizace oblačnosti v numerickém předpovědním modelu
• Název v anglickém jazyce: Cloud parameterization in numerical weather prediction model
• Klíčová slova: model atmosféry, parametrizace fyzikálních procesů, representace oblačnosti
• Klíčová slova anglicky: atmospheric model, parameterization of physical processes, cloudiness representation
• Akademický rok vypsání: 2011/2012
• Typ práce: diplomová práce
• Jazyk práce: čeština
• Ústav: Katedra fyziky atmosféry (32-KFA)
• Vedoucí / školitel: RNDr. Radmila Brožková, CSc.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 07.11.2011
• Datum zadání: 09.11.2011

Zásady pro vypracování

Studie naváže na poslední vývoj v parametrizacích konvekce, radiace a turbulence v ČHMÚ, který tvoří podstatnou část balíčku fyzikálních parametrizací ALARO, zejména v těchto aspektech:
- velká pozornost byla věnována sjednocení vertikální geometrie oblačnosti v procesech radiačního přenosu a v procesech mikrofyziky; tento postup by měl být dále rozvinut podle Shonka et al. (2010);
- v rámci konceptu fyziky vlhkých procesů 3MT (Gerard et al., 2009)se podařilo jednotné pojetí vertikální geometrie oblačnosti aplikovat;
- V rámci vývoje nové parametrizace turbulence bude jednou z novinek vztah mezi oblačností mělké konvekce a intensitou turbulentního promíchávání, vycházející z Geleyn and Marquet, 2010.
ALARO tedy bude poskytovat podmínky pro první pokus o jednotnou formulaci oblačnosti. Postup práce by měl být následující:
- Rešerše a studium literatury pro pochopení obecného problému parametrizace a získání přehledu o parametrizacích v balíčku ALARO;
- Seznámení se s technickými aspekty numerického předpovědního modelu (úprava zdrojového programu, experimentální práce, použití diagnostických nástrojů);
- Seznámení se s metodami interpretace výsledků;
- Vlastní studie interakce oblačnosti a pokus o harmonizaci její reprezentace v procesech radiačních, mikrofyzikálních a turbulentních.

Seznam odborné literatury

Geleyn, J.-F. and P. Marquet, 2010: Moist thermodynamics and moist turbulence for modelling at the non-hydrostatic scales. ECMWF Workshop; Non-hydrostatic modelling, 8th of November 2010, pp. 55-66.

Gerard, L., J.-M. Piriou, R. Brožková, J.-F. Geleyn and D. Banciu, 2009: Cloud and precipitation parameterization in a meso-gamma scale operational weather prediction model. Mon. Wea. Rev., 137, pp. 3960-3977.

Shonk J.K.P., R.J. Hogan, J.M. Edwards and G.G. Mace, 2010: Effect of improving representation of horizontal and vertical cloud structure on the Earth’s global radiation budget. Part I: Review and parametrization. Q. J. R. Meteorol. Soc., 136, pp. 1191–1204.

Předběžná náplň práce

Oblačnost ovlivňuje chování atmosféry mnohými cestami, jako jsou:
- dopad na radiační přenos v atmosféře, a to jak v solárním pásmu (odraz a absorpce), tak v tepelném pásmu spektra (skleníkové efekty);
- procesy kondenzace a výparu v mezní vrstvě, které interagují s tvorbou, destrukcí a disipací turbulentní kinetické energie, která zase zpětně ovlivňuje turbulentní tok oblačné vody;
- tvorba srážek, která při stabilním zvrstvení atmosféry vůči vlhké adiabatě probíhá interakcí mikrofyzikálních procesů (auto-konverze, sběr, Wegener-Bergeron-Findeisenův proces); pokud se tvorbou srážek obsah oblačné vody podstatně sníží, tak může dojít k vypaření zbytku oblačnosti a tím se zpětně ovlivní rozložení vodní páry v atmosféře poměrně komplexním způsobem;
- v případě nestabilního vlhkého zvrstvení atmosféry jsou srážky generovány těmi samými výše uvedenými mikrofyzikálními procesy, ale jejich tvorba je posílena zrychleními v důsledku vztlakových konvektivních sil;
- oba typy oblačnosti, ze které vypadávají srážky, ale zejména konvektivní oblaka mohou být zpětně ovlivněna dynamikou mezní vrstvy z důvodu ochlazení vzduchu výparem vypadávajících srážek.
Numerická předpověď počasí (a také modelování klimatu) musí popsat všechny výše uvedené procesy v rámci tzv. balíčku parametrizací. Cílem navržené práce není zabývat se detaily jednotlivých algoritmů, jelikož pro každý problém existuje množství řešení, kdy není jednoduché stanovit jasnou hranici mezi vynaloženými početními nároky a přínosem toho či onoho postupu. Avšak zhruba od poloviny osmdesátých let, odkdy zdánlivě náhodně docházelo k postupným zlepšováním parametrizací v operativních modelech předpovědi počasí, existuje dlouhodobá snaha docílit homogenní representace „parametrizované oblačnosti“, která by spojovala všech pět výše uvedených procesů.
Cílem práce je tak provést studii možného sjednocení popisu oblačnosti v rámci balíčku fyzikálních parametrizací ALARO, který se používá v operativním předpovědním modelu Českého hydrometeorologického ústavu (ČHMÚ).

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Clouds do influence the atmospheric behaviour in a great number of ways:
- they are one essential element of the modulation of radiative transfer both in the solar spectrum (reflection and absorption) and in the thermal spectrum (green-house-type effect);
- the condensation/evaporation processes in the Planetary Boundary Layer (PBL) interact in a complex manner with the generation, destruction and dissipation of Turbulent Kinetic Energy, this influencing in return a bit the turbulent transport of condensed water;
- precipitation is generated, when the atmosphere is in stable stratification with respect to the so-called ‘moist-adiabat’, by microphysical interactions (auto-conversion, Wegener-Bergeron-Findeisen process, collection); when their content in condensate diminishes sufficiently, such clouds may re-evaporate on the spot, this influencing the water vapour atmospheric distribution in a complex way;
- in the case of unstable moist stratification, precipitation is generated by the same microphysical processes as described above, but with an enhancement factor provided by the vertical acceleration due to positive buoyancy within the ‘convective’ clouds;
- both types of precipitating clouds (but especially the convective ones) can be influenced in return by the dynamical impact within the PBL of the cooling associated to the evaporation (and to the melting) of falling hydrometeors.

Numerical Weather Prediction (and Climate Simulation) models must take all above effects into account within their so-called parameterisation packages. One shall not deal here with the details of the resulting algorithms, especially since there are numerous solutions for each problem and that there is a difficulty in establishing a clear cost/benefit hierarchy between them.

There is however a long-term goal, addressed since the mid 80’s, which, albeit slowly, fosters the discovery and operationalisation of new parameterisations and promotes a certain ‘sense of history’ in what would otherwise look like a rather random succession of disconnected improvement steps: one would like to have an homogeneous representation of the ‘parameterised clouds’ (which are, by the way, an abstraction of the real clouds) between all five above-mentioned aspects.

Even if some details are still pending, one sees that the conditions for a first attempt at the ‘Graal’ of a unified cloud description within ALARO should be met at the time of starting the proposed work.