Témata prací (Výběr práce)Témata prací (Výběr práce)(verze: 266)
Detail práce
   Přihlásit přes CAS
Broadband radiation scheme fully interacting with clouds
Název práce v češtině: Širokospektrálna radiačná schéma plne interagujúca s oblačnosťou
Název v anglickém jazyce: Broadband radiation scheme fully interacting with clouds
Klíčová slova: radiačný prenos v atmosfére, cena voči presnosti, širokopásmový prístup, prerušovaná aktualizácia, vyváženosť chýb
Klíčová slova anglicky: atmospheric radiative transfer, cost versus accuracy, broadband approach, intermittent update, error balance
Akademický rok vypsání: 2011/2012
Typ práce: disertační práce
Jazyk práce: angličtina
Ústav: Katedra fyziky atmosféry (32-KFA)
Vedoucí / školitel: RNDr. Radmila Brožková, CSc.
Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
Datum přihlášení: 26.09.2011
Datum zadání: 26.09.2011
Datum potvrzení stud. oddělením: 08.06.2015
Datum a čas obhajoby: 13.12.2017 09:50
Datum odevzdání elektronické podoby:13.09.2017
Datum odevzdání tištěné podoby:15.09.2017
Oponenti: prof. RNDr. Jan Bednář, CSc.
  Mgr. Brankica Šurlan, Ph.D.
 
 
Zásady pro vypracování
Úvod do tématu je v upoutávce, zde je postup pro vypracování:

Ze zvoleného postupu rozvoje Piotrowského et al. vyplývají dva problémy, které je třeba vyřešit:
• Je potřeba mít jistotu, že konzistence formulací, vyplývající z řídících rovnic (Catry et al., 2007), bude platit pro schémata parametrizací popisujících procesy vlhké atmosféry;
• Je třeba najít způsob, jak nejlépe diagnostikovat hledané chování atmosféry. Při odklonu od čistě akademických podmínek pouhá multi-měřítková reproduktibilita průměrných charakteristik proudění nebude stačit, a počet pozorování pro provedení srovnání bude též nedostatečný.

Co se týče prvního problému, očekáváme, že rozšíření stávajícího algoritmu konvekce se srážkami (3MT, Gerard et al, 2009) na nehydrostatická měřítka bude brzy k dispozici. Tento algoritmus zajišťuje konsistentní chování parametrizace konvekce se srážkami v měřítkách šedé zóny, kdy je konvekce produkující srážky jenom částečně rozlišena. Spolu se schématem TOUCANS, které popisuje modelem nerozlišený transport (beze vzniku srážek, vertikálně organizovaný [Reynoldsovy členy třetího řádu], vertikálně turbulentní [Reynoldsovy členy druhého řádu] a horizontálně doplněný o odpovídající část SLHD), budeme mít velmi zajímavý modelový nástroj pro zamýšlenou studii.

Co se týče druhého problému, tak zde se jako perspektivní jeví diagnostika změn entropie, postavená na základě studie Marqueta (2011) pro případ stratokumulu, jež bude mít perspektivní využití pro vztah mezi energií a entropií pro jakýkoliv stav atmosféry.

Výběr nástrojů modelování a diagnostiky dává navrhované studii zřejmý směr. Je dán názvem navrhované práce: numerická difuse zastává zvláštní roli mezi jinými parametrizacemi promíchávání, protože musí být přítomna od planetárních po viskózní měřítka, kdy simuluje pokračování energetické kaskády na konci modelového spektra. Zároveň je hrubým přiblížením reziduálních procesů, které nejsou dobře podchyceny jinými parametrizacemi, a také filtrem, který odstraňuje nechtěný numerický šum vzniklý disktretizací.

Tato trojí role numerické difuse bude na jednu stranu komplikací, na druhou stranu poskytne zajímavou cestu jak dosáhnout cíle, kterým je realistické a měřítkově nezávislé chování modelu, díky svým interakcím mezi schématy turbulence a konvekce.

Metodologické kroky můžeme shrnout takto :

• V numerickém předpovědním modelu počasí vyjít z verze ALARO modelu ALADIN.
• Použít schémata parametrizací 3MT a TOUCANS bez dalších změn .
• Navrhnout experimentální postup jak testovat tato schémata v multi-měřítkovém prostředí, s použitím částečně idealizovaných a reálných situací.
• Vytvořit nástroje diagnostiky entropie a energie v modelu. Předpokládá se, že Marquetova studie (2011) pomůže při konstrukci těchto nástrojů.
• Zaměřit se na „inteligentní“ vyladění SLHD za účelem získání konzistentní a škálově nezávislé parametrizace procesů promíchávání. Požadavek na konzistenci je klíčový, protože nezávislost na měřítku sama o sobě nezaručuje fyzikálně realistické výsledky. Cesta k dosažení tohoto výsledku je otevřená a může spočívat i v modifikaci formulace SLHD.
Seznam odborné literatury
Catry, B., J.-F. Geleyn, M. Tudor, P. Bénard and A. Trojáková, 2007: Flux conservative thermodynamic equations in a mass weighted framework. Tellus, 59A, pp. 71-79.
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.
Marquet, P. (accepted in January 2011): Definition of a moist entropic potential temperature. Application to FIRE-I data flights. Q. J. R. Meteorol. Soc. DOI : 10.1002/qj.787.
Piotrowski, Z.P., P.K. Smolarkiewicz, S.P. Malinowski and A.A. Wyszogrodski, 2009: On numerical realizability of thermal convection. Journal of Computational Physics, 228, pp. 6268-6290.
Váňa, F., P. Bénard, J.-F. Geleyn, A. Simon and Y. Seity, 2008: Semi-Lagrangian advection scheme with controlled damping: an alternative to non-linear horizontal diffusion in a numerical weather prediction model. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 134, pp. 523-537.
Předběžná náplň práce
Modelování pro numerickou předpověď počasí se začíná přibližovat k takzvaným nehydrostatickým měřítkům. To znamená, že vratná část modelovaných procesů musí opustit předpoklad hydrostatické rovnováhy. Navzdory původním předpokladům se s největšími obtížemi nesetkáváme v dynamické části modelu, kde je relaxace hypotézy hydrostatické rovnováhy poměrně dobře zvládnuta, ale těžkosti jsou vztaženy k těmto novým problémům:

• Konsistence interface mezi diabatickými a adiabatickými částmi modelových multi-fázových systémů, obsahující nové prognostické proměnné. Kamenem úrazu je zde operace filtrování, kdy její vazba na nějaké stacionární řešení by měla zůstat nástrojem a nikoliv cílem parametrizace procesu, zvláště v měřítkách, kdy je odchylka od nějakého průměrného chování spíše pravidlem než výjimkou;
• Dilema vědeckého popisu základních fyzikálních procesů: na jednu stranu je cílem popsat s rostoucí přesností pozorované chování atmosféry, na druhou stranu je modelování procesů používáno stále více stochasticky. To je dáno tím, že hranice prediktability atmosféry se zkracuje pro jemnější měřítka;
• Obtížnost simulovat pouze relevantní měřítko jevu, který byl dříve parametrizován v modelu s nižším rozlišením, a který je nyní buďto zcela nebo částečně modelem rozlišen (při částečném rozlišení hovoříme o takzvané šedé zóně). Dotýkáme se zde poměrně obecného problému měřítkového invariantu z pohledu popisu jevů ve vysokém rozlišení.

Výchozím bodem navržené práce je nedávná studie Piotrowského et al. (2009), která přesvědčivě ukázala klíčovou roli, kterou hraje horizontální difuse v modelování realistických struktur Rayleigh-Bénardova typu konvekce ve spodních hladinách bezoblačné atmosféry. Krátce řečeno, ideou je vyjít z této studie ve dvou směrech: (i) přejít do plného fyzikálně komplexního případu atmosféry s konvektivní oblačností různých hloubek a se započítáním všech jejích vlivů (radiačních, termodynamických a energetických); (ii) zjednodušit problém horizontální difuse výběrem existujícího nástroje verze ALARO v programu numerického modelu ALADIN, kterým je operátor nelineární difuse SLHD (Váňa et al., 2008).

SLHD je dostatečně flexibilní nástroj na to, aby umožnil realizaci různých přístupů vazby horizontální difuse na lokální charakter proudění. Nedávno byl tento algoritmus rozšířen o možnost zahrnutí horizontálního protějšku budoucího schématu vertikální difuse ALARO, který je pojmenován TOUCANS. Toto nové schéma sjednocuje koncepty turbulentní a organizované difuse, suché i vlhké mělké konvekce beze srážek a oblačné pokrývky vyplývající jako výsledek z různých procesů.
Předběžná náplň práce v anglickém jazyce
Modelling for Numerical Weather Prediction (NWP) is now reaching the frontier of ‘Non-hydrostatic (NH) scales’, i.e. scales where the reversible part of the models ought to drop the hydrostatic hypothesis. Contrary to initial expectations, the most significant encountered difficulties are not linked to the dynamical control of the extra degrees of freedom provided by the relaxation of the hydrostatic hypothesis, but they refer to:
• the consistency of the interfacing between the adiabatic and diabatic parts of the model for systems which are by definition fully multi-phasic and which treat a higher number of prognostic quantities (since ‘filtering’ via some reliance on stationary solution should remain a tool and not the goal of operational parameterisations, at scales where deviation from the mean behaviour is the rule and not any more the exception);
• the dilemma of scientific formulations for basic physical processes, which, on the one hand, try to represent more and more accurately observed detailed atmospheric behaviours while, on the other hand, they are used in an increasingly stochastic context (simply because the predictability limit is hit earlier as models address finer and finer scales);
• the difficulty in just simulating the right scale for the phenomena which were parameterised when models had a lower resolution and are now either resolved by the internal model dynamics or (worse => so-called ‘grey-zone’ problem) partly resolved, partly still in need of some parameterisation. One is here addressing the quite general ‘scale invariance’ problem from the point of view of high resolution phenomenology.

The starting point for the proposed topic is the recent study of Piotrowski et al. (2009) who convincingly showed the crucial importance of lateral diffusion in allowing realistic structures for a Rayleigh-Bénard-type of low-level convection in a cloudless atmosphere. In a nutshell one would like to depart from this study in two aspects: (i) going to the full physical complexity of an atmosphere with clouds of various depths, accounting for all their impacts (radiative, thermodynamic and energetic) and (ii) simplifying the problematic of lateral diffusion by betting a-priori on one already existing tool in the ALARO set-up of the ALADIN Programme, namely the so-called SLHD non-linear diffusion operator (Vana et al., 2008).

The SLHD tool is flexible enough to accommodate many ways of linking lateral diffusion to the local characteristics of the flow. Its algorithmic recently started to be extended in order to encompass the horizontal counterpart of the future ALARO scheme for vertical diffusion, named TOUCANS. This new scheme aims at reunifying the concepts of turbulent and organised diffusion, of dry and moist low level sub-grid non-precipitating motions and of cloud-cover from various origins.

Two difficulties have to be overcome with the above mentioned choice to go further than Piotrowski et al. in one direction and to particularise the tool for doing so:
• one must be sure that the above mentioned consistency in the formulations shall extend from the governing equations (something already achieved, see Catry et al., 2007) to the various parameterisation schemes acting in interplay in the moist cases;
• one must find a guideline for diagnosing what will be the searched atmospheric behaviour, since, when going away of the ‘academic set-ups’, the sole argument of good multi-scale reproducibility of averaged behaviours will be insufficient and comparative measurements too rare for comfort.

Concerning the fist issue, it is expected that an evolution toward NH-scales of the current framework (3MT, Gerard et al., 2009) ensuring the consistency in the grey-zone for precipitating convection will soon be available. Together with the TOUCANS-like declination of sub-grid non precipitating transport (vertical organised [third order Reynolds terms], vertical turbulent [second order Reynolds term] and horizontal SLHD counterpart to the latter), one may indeed have a very interesting tool for the simulation aspects of the study.

Concerning the second issue, one would take the second bet of this proposal by building on the renewed interest for entropy change considerations made possible by the study of Marquet (2011) for stratocumuli, but with far more reaching implications for the interplay between entropy and energy in any atmospheric situation.

Having indeed a good idea of what should be the modelling and diagnostic directions in which the proposed study would go. This is done by the title of the proposed topic: indeed numerical diffusion has a significant role among the other mixing parameterizations since it must be present from planetary to viscous scales, mimicking the continuation of the energy cascade at the end of model spectrum. At the same time it is crude way of simulating residual processes which are not well captured by other parameterisations, as well as acting to filter-out unwanted discretisation noise.

This treble role of numerical diffusion will on one side complicate the work, but on the other side it will offer more than one track for fulfilling the goal of an harmonious, realistic and scale invariant model behaviour, thanks to its interactions with turbulence and convection schemes.

Summarizing what was said in previous paragraphs, work methodology can be outlined as follows:
• In NWP part, sticking to ALARO set-up of ALADIN model.
• Using 3MT and TOUCANS parameterisation schemes as they are, i.e. without modifying associated part of model code.
• Proposing experimental setup which will enable to test schemes in multiscale environment, employing both partly idealized and real case simulations.
• Developing tools to diagnose energy and entropy in the model system. It is anticipated that entropy approach of Marquet (2011) may help in construction of these tools.
• Concentration on ‘intelligent’ SLHD tunings to get as consistent and scale invariant parameterisation of mixing processes as possible. Requirement of consistency is crucial since the scale invariance itself does not guarantee physical realism of the results. Question how to reach this goal is the open one, work can imply changes not only in SLHD setup, but in its formulation as well (way of triggering, dynamical tuning).
 
Univerzita Karlova | Informační systém UK