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Edwin Haas

• In der vorliegenden Arbeit wurden die für die Feuchteverteilung und luftchemische Zusammensetzung in MM5/MCCM relevanten numerischen Verfahren für den i) advektiven Feuchtetransport, ii) advektiven Spurenstofftransport und für die iii) chemische Umwandlung untersucht. Dabei wurden die verwendeten Verfahren untersucht, vorhandenen Defizite identifiziert und durch neu entwickelte alternative numerische Verfahren verbessert. Die neu entwickelten Verfahren wurden in das regionale Modell MM5/MCCM eingebaut und evaluiert. Dabei lässt sich für die oben genannten Prozesse Folgendes zusammenfassen: i) Advektiver Feuchtetransport: Für die Feuchteadvektion wird in MM5 ein zeitgefiltertes Leapfrog-Verfahren benutzt. Das Verfahren zeigt bekannte Defizite: So neigt es zu numerischen Oszillationen und erzeugt durch den glättenden Filter einen Phasenfehler. Dies kann z.B. zu falschen Unter- und Übersättigungen in der räumlichen Verteilung der Feuchtegrößen führen und damit physikalisch nichtIn der vorliegenden Arbeit wurden die für die Feuchteverteilung und luftchemische Zusammensetzung in MM5/MCCM relevanten numerischen Verfahren für den i) advektiven Feuchtetransport, ii) advektiven Spurenstofftransport und für die iii) chemische Umwandlung untersucht. Dabei wurden die verwendeten Verfahren untersucht, vorhandenen Defizite identifiziert und durch neu entwickelte alternative numerische Verfahren verbessert. Die neu entwickelten Verfahren wurden in das regionale Modell MM5/MCCM eingebaut und evaluiert. Dabei lässt sich für die oben genannten Prozesse Folgendes zusammenfassen: i) Advektiver Feuchtetransport: Für die Feuchteadvektion wird in MM5 ein zeitgefiltertes Leapfrog-Verfahren benutzt. Das Verfahren zeigt bekannte Defizite: So neigt es zu numerischen Oszillationen und erzeugt durch den glättenden Filter einen Phasenfehler. Dies kann z.B. zu falschen Unter- und Übersättigungen in der räumlichen Verteilung der Feuchtegrößen führen und damit physikalisch nicht gerechtfertigte Phasenumwandlungsprozesse auslösen. Die davon beeinflusste Temperatur-, Niederschlags- und Strahlungsverteilung ist demzufolge ebenfalls fehleranfällig. Deshalb wurde ein alternatives numerisches Advektionsverfahren entwickelt, welches die beschriebenen Defizite verringert und aufgrund seiner Komplexizität für Klimasimulationen von mehreren Dekaden geeignet ist. Das Verfahren wurde in MM5 eingebaut. Eine Niederschlagsevaluierung einer einmonatigen Simulation mit DWD-Beobachtungen zeigte für MM5 mit dem neu entwickelten Verfahren bessere Übereinstimmungen in Luv- und Lee-Bereich von Mittelgebirgen. In Bezug auf die simulierten Niederschlagssummen zeigte das neue MM5 ebenfalls bessere Übereinstimmungen mit der Literatur. Die Evaluierung von simulierten Wasserdampfverteilungen mit hochaufgelösten vertikalen Lidar-Beobachtungen konnte keine eindeutige Aussage liefern, da die Simulationen aufgrund unzureichender Modellinitialisierung die meteorologische Situation während des Beobachtungszeitraums nicht exakt wiedergeben konnten. ii) Advektion chemischer Spurenstoffe: Räumliche detaillierte Emissionskataster aus Punkt- (z.B. Schornsteinen und Industrieanlagen) und Linienquellen (z.B. Autobahnen) erfordern für hochaufgelöste Luftchemiesimulationen Advektionsverfahren, die die starken Gradienten in den Spurenstoffverteilungen möglichst gut erhalten. Das bisherige in MCCM implementierte Advektionsverfahren MPDATA weist eine ausgeprägte numerische Diffusion auf. Um diese Diffusion zu reduzieren, wurden aus der Literatur zwei geeignete, Gradienten erhaltende Advektionsverfahren ausgewählt. Eine neue dreidimensionale Version der Verfahren wurde für die MCCM-Pseudoflussform und das bodenfolgende Sigma-Koordinatensystem entwickelt und in MCCM eingebaut. Durch eine Evaluierung von simulierten Spurenstoffkonzentrationen einer 18-tägigen Photosmogepisode mit Beobachtungen des bayerischen Landesamtes für Umwelt wurde gezeigt, dass die neuen Verfahren zu wesentlich realistischeren Spurenstoffkonzentrationen, vor allem während der photochemisch aktiven Tageszeit, führen. Ein Vergleich von simulierten CO-Abluftfahnen zeigte für die neuen Verfahren deutlich höhere CO-Konzentrationen mit wesentlich stärker ausgeprägten Gradienten in den simulierten Abluftfahnen. In der MPDATA-Simulation wurden die Abluftfahnen durch die numerische Diffusion sehr stark auf benachbarte Gitterzellen verteilt, so dass sie kaum mehr zu erkennen waren. (iii) Chemische Umwandlung der Spurenstoffe: In den letzten Jahren wurden die Gasphasenchemiemechanismen stetig weiterentwickelt, um dem Wissen über die troposphärische Ozon-Chemie und deren biogenen Vorläufersubstanzen Rechnung zu tragen. Es wurde allgemein erwartet, dass die genaueren und komplexeren neuen Mechanismen auch realistischere Spurenstoffverteilungen liefern sollten als der in MCCM verwendete einfachere und ältere RADM2-Mechanismus. Um die Evaluierung von Mechanismen und deren numerische Implementierung unabhängig zu machen, wurden Mechanismen und Integrationsverfahren entkoppelt. Ein neu entwickeltes Verfahren generiert für jeden gegebenen Mechanismus ein identisches implizites numerisches Integrationsverfahren und stellt durch eine automatische Programmgenerierung dieses dem MCCM als Modul zur Verfügung. Der Vergleich der Chemiemechanismen RADM, RACM und RACM-MIM in MCCM zeigt für die RADM-Simulation einen systematischen Bias zu höheren Ozonkonzentrationen von ca. 4 ppb. Die Unterschiede zwischen den komplexeren RACM und RACM-MIM Mechanismen liegen lediglich bei maximal 1%, mit größeren Unterschieden bei sehr hohen Ozonkonzentrationen. Die Evaluierung mit Beobachtungen an 8 Stationen zeigen für RACM-MIM die geringsten Abweichungen und somit die besten Übereinstimmungen. In der praktischen Anwendung zeigt sich, dass in einer regionalen MCCM-Simulation der RACM-MIM-Mechanismus ca. 10 bis 25 % mehr Rechenleistung zur Integration des Gesamtsystems erfordert, als der einfachere RADM-Mechanismus.…
• This thesis contains a study of numerical schemes relevant for i) moisture advection, ii) trace species advection and iii) chemical transformation in MM5/MCCM. The implemented numerical schemes have been analysed, deficits have been identified and finally reduced/eliminated by newly developed alternative numerical schemes. These schemes have been implemented into the regional model MM5/MCCM and evaluated. The three topics can be summarized as follows: i) Moisture advection: The MM5 moisture advection is discretized by a time filtered leapfrog scheme. The scheme has known deficits: It tends to produce numerical oscillations in the solution and the time filter induces a phase error. This can lead to inaccurate saturation in the moisture distribution, which may induce unjustified phase change phenomena, which themselves influence temperature, precipitation and radiation distribution. Therefore, an alternative numerical advection scheme was developed and implemented in MM5 to reduce theThis thesis contains a study of numerical schemes relevant for i) moisture advection, ii) trace species advection and iii) chemical transformation in MM5/MCCM. The implemented numerical schemes have been analysed, deficits have been identified and finally reduced/eliminated by newly developed alternative numerical schemes. These schemes have been implemented into the regional model MM5/MCCM and evaluated. The three topics can be summarized as follows: i) Moisture advection: The MM5 moisture advection is discretized by a time filtered leapfrog scheme. The scheme has known deficits: It tends to produce numerical oscillations in the solution and the time filter induces a phase error. This can lead to inaccurate saturation in the moisture distribution, which may induce unjustified phase change phenomena, which themselves influence temperature, precipitation and radiation distribution. Therefore, an alternative numerical advection scheme was developed and implemented in MM5 to reduce the MM5 leapfrog drawbacks and still being computational efficient for long term climate simulations. A precipitation evaluation from a 30 day simulation with observations from the German Weather Service (DWD) resulted in better correlation of the modified MM5 for luv and lee effects in mountainous regions. Focusing on total precipitation, the new MM5 yielding better accordance to the observations and the literature. Evaluating simulated water vapour distributions in high resolution with vertical Lidar observations did not work out satisfactorily. MM5 could not be initialized accurately enough to represent the observed meteorological situation of the short observation period. ii) Trace species advection: Modern emission inventories from point (like chimneys, industrial plants etc.) and line sources (like highways) demand for high resolution air quality simulation advection schemes preserving steep concentration gradients. The MCCM tracer advection scheme MPDATA possesses a distinct numerical diffusion. To tackle this source of inaccuracy, 2 gradient preserving advection schemes have been selected from the literature and a fully three-dimensional version based on the MM5 coordinate system was developed and implemented in MCCM. Cross-validating simulated trace species concentrations of an eighteen days photosmog episode with observations from the "Landesamtes für Umwelt" yield better agreements particularly during the photochemical active daytime for the MCCM simulations with the new advection schemes compared to the original MCCM-MPDATA. Focusing on CO-plumes, the new advection schemes in MCCM produce plumes with steeper gradients whereas MCCM-MPDATA smears out the CO-plume onto several neighbouring grid cells due to its distinct diffusivity. (iii) Gasphase chemistry: The knowledge on tropospheric ozone chemistry and its biogenic precursors has in recent years continuously increased yielding updated and new gasphase airchemistry mechanisms. It was expected, that the more accurate and complex new mechanisms will tend to produce more realistic trace species distributions than the original MCCM-RADM mechanism combined with its QSSA-solver was capable. The fundamental concept for the study was to have the mechanisms independent of their numerical integration scheme to reduce numerical influences. A procedure was developed to generate the code for any given mechanism automatically into a submodule in MCCM. Using this procedure, three airchemistry modules for MCCM have been produced for the RADM, RACM and RACM-MIM mechanisms. Intercomparison of a 60 day high resolution photosmog simulation in 2003 in Bavaria yield a systematic bias of 4 ppb higher ozon levels for the RADM simulations. The differences in simulated ozone between RACM and RACM-MIM have been within 1% and moderately higher for extreme conditions. Cross validation with observations of the "Landesamtes für Umwelt" at eight observation sites have shown the best agreements for the RACM-MIM simulations. Due to its complexity, the RACM-MIM simulations demand up to 25% more computational power compared to the less complex RADM simulations.…