van RH, in Düsseldorf liggen deze in het algemeen lager dan in Cabauw, vooral op zondag 9 maart.
200 150
obs
H (W/m2)
100
NOAH_ref
50
NOAH_50% 5LAY_ref
0 0
6
12
18
24
30
36
42
48
5LAY_50% 5LAY_25%
-50 -100 -150
time (h)
Figuur 3a. Gemodelleerde (WRF) en waargenomen voelbare warmtestroom H in Cabauw voor 8 en 9 maart 2014. 250
LE (W/m2)
200 150
obs
100
NOAH_50%
NOAH_ref 5LAY_ref 5LAY_50%
50
5LAY_25%
0 0
-50
6
12
18
24
30
36
42
48
time (h)
Figuur 3b. Gemodelleerde (WRF) en waargenomen latente warmtestroom LE in Cabauw voor 8 en 9 maart 2014.
het best in Cabauw. In Düsseldorf doet het experiment met verminderd bodemvocht in het NOAH schema dat het beste (NOAH_50%), met een RMSE van 0.94 K en een IoA van 0.987. De verlaging van het bodemvocht in het 5-lagenmodel resulteert in een toename van de IoA van 0.749 naar 0.941, en een reductie van de RMSE van 4.05 K naar 1.97 K. De WRF runs met verlaagd bodemvocht presteren ook duidelijk beter dan het operationele ECMWF model. De modelgevoeligheid van T2m in de twee landoppervlakte schema’s voor bodemvocht zijn geschat voor de gesimuleerde maximumtemperatuur. De modelgevoeligheid van luchttemperatuur voor bodemvocht volgt zoals verwacht een negatief verband. De bodemvochtwaardes van de twee schema’s kunnen niet met elkaar vergeleken worden omdat ze niet dezelfde fysische betekenis hebben. In het NOAH schema is dat het volume water per volume grond, en in het 5-lagenschema is het een reductiefactor t.o.v. de verdamping van een open meer. We kunnen niet zien welk schema gevoeliger is. Relatieve vochtigheid (RH). Alle experimenten simuleren een theoretisch verwachte evolutie van RH: hoge waarden in de vroege ochtend, afnemend tot de middag en weer toenemend na zonsondergang. Ook is de feedback tussen vochtigheid en warmte duidelijk: experimenten die hogere temperaturen simuleren tonen lagere RH waarden. De modeluitvoer van de experimenten loopt echter sterk uiteen. Geen van de experimenten schat de RH correct voor beide dagen. Wel kan uit de data worden opgemaakt dat in Cabauw het 5-lagenschema de evolutie van RH beter simuleert dan NOAH, waar in Düsseldorf het NOAH schema beter past. Wat betreft de waarden 14
Meteorologica 4 - 2014
Oppervlakte-energiestromen. De oppervlakte-fluxen zijn alleen geanalyseerd voor Cabauw, omdat er geen gegevens beschikbaar waren voor Düsseldorf. Fig. 3 toont de evolutie van de voelbare (H) en latente (LE) warmtestroom voor 8 en 9 maart in Cabauw. Een negatief verband tussen H en LE is aanwezig wanneer de verschillende experimenten worden vergeleken. Dit is het feedbackmechanisme dat de verwarming van de grenslaag controleert: als H toeneemt wordt LE kleiner en andersom. Ook het gemodelleerde verband met bodemvocht gedraagt zich zoals in theorie. Wanneer bodemvocht is verminderd bij ofwel het NOAH schema of het 5-lagenschema, wordt de luchtvochtigheid lager. Dit is te zien aan een grotere H en een kleinere LE in de experimenten NOAH_50% en 5LAY_50%, en voornamelijk in 5LAY_25%. In vergelijking met de observaties, is LE redelijk goed gesimuleerd door de experimenten met verlaagde bodemvochtwaarden. Verrassend genoeg wordt H echter het best gereproduceerd door de experimenten met de referentiewaarde voor bodemvocht. De experimenten met verlaagd bodemvocht reproduceren de T2m het beste (NOAH_50% en 5LAY_25%), maar deze experimenten tonen de grootste overschattingen van de voelbare warmtestroom H, gecombineerd met een kleine onderschatting in LE. Het is niet duidelijk welk aandeel verwarming door entrainment aan de top van de grenslaag hierin heeft. Grenslaaghoogte. De grenslaaghoogte is nodig om te kunnen beoordelen welke factor de T2m grotendeels bepaalt: verwarming aan de oppervlakte door H, of verwarming aan de top van de grenslaag door entrainment. In het bijzonder relevant, gezien de verrassende modeluitvoer voor voelbare warmte hierboven. De grenslaaghoogte is onderzocht voor Cabauw en Essen. In Cabauw geven de modelexperimenten een maximale grenslaaghoogte tussen de 660 en 940 m op 8 maart, en tussen de 500 en 750 m op 9 maart. Voor Cabauw zijn geen observaties beschikbaar. In Essen varieert de gemodelleerde maximale grenslaaghoogte tussen de 640 en 820 meter op 8 maart en tussen de 440 en 590 m op 9 maart. De observaties in Essen geven een grenslaaghoogte van 700 m op 8 maart, 12 UTC, en 500 m op 9 maart, 12 UTC. Zowel in Cabauw als in Essen toont de grenslaag een snelle groei op 8 maart en rap verval op beide dagen. De grenslaag is veel dieper voor de runs met verlaagd bodemvocht. Dit is theoretisch gezien logisch: minder bodemvocht levert een kleinere LE en een grotere H, en daarom een diepere grenslaag. Dit zou lagere luchtvochtigheidswaarden moeten geven vanwege het grotere volume binnen de grenslaag. De tijdsreeksen van de relatieve vochtigheid laten dit inderdaad zien. Discussie De oorzaak van de onderschatte maximumtemperaturen ligt duidelijk voor een deel in een te laag bodemvocht in de weermodellen. Helaas word bodemvocht slechts beperkt gemeten voor operationele doeleinden. Het verlaagd bodemvocht is vermoedelijk een gevolg van een relatief lage regenval in zuidoostelijk Nederland en het Ruhrgebied in de periode voorafgaande aan het warme weekend. In Cabauw bedroeg het neerslagoverschot (neerslag - Makkinkverdamping) over de periode 1 februari – 9 maart 39 mm, maar in Maastricht was
het neerslagtekort over diezelfde periode 5 mm. In de decade voorafgaande aan de warme weekend bedroeg het tekort daar ruim 10 mm. Deze waardes suggereren dat de toplaag van de bodem in oost Nederland al voor het warme weekend redelijk was uitgedroogd. Naast de lage neerslaghoeveelheden in de wintermaanden, was de winter ook vrij warm. Dit uitte zich in een vroege ontwikkeling van de vegetatie, waardoor de weermodellen waarschijnlijk ook de zgn. leaf-area index (LAI) onderschatten. Een gevoeligheidsstudie naar de rol van LAI waarbij de minimale LAI voor diverse gewassen werd verhoogd tot 4.0 toonde aan dat WRF met het NOAH schema in dit geval nauwelijks gevoelig was voor de LAI waarde, zowel voor runs met een referentie als met verhoogd bodemvocht. We hebben gezien dat WRF de T2m het best representeert voor gevallen waarin het model de voelbare warmtestroom substantieel overschat. Voor een soortgelijke synoptische situatie vonden Steeneveld et al. (2011) in een andere WRF studie voor Cabauw ook een substantiële overschatting van de voelbare warmtestroom bij een correcte representatie van grenslaagtemperatuur en -dikte. Een mogelijke verklaring is dat het waargenomen oppervlakte-energiebudget doorgaans niet is gesloten, en dat een deel van de missende energie moet worden toegeschreven aan de voelbare warmtestroom. Deze hypothese is echter lastig te bewijzen. Deze studie toont duidelijk aan dat een correcte initialisatie van bodemvocht essentieel is voor de modellering van de dagelijkse gang. Met het falen van de operationele versies van de modellen is het ook duidelijk dat representatieve waarnemingen van bodemvochtgehaltes onvoldoende voor handen zijn voor data-assimilatie in operationele weersverwachtingssystemen. Conclusie Deze studie onderzoekt de rol van initialisatie van bodemvocht op de score van weermodellen voor het anomaal warme winterweekend van 8 en 9 maart 2014. Operationele versies van weermodellen onderschatten de maxima, terwijl WRF de waargenomen maxima in centraal Nederland en in het westelijke deel van Duitsland goed reproduceert, mits het bodemvocht substantieel verlaagd wordt. Deze benodigde verlaging is in overeenstemming met het geaccumuleerde neerslagtekort in zuidoost Nederland en in het Ruhrgebied.
WRF lijkt in dit geval niet gevoelig voor parametrisatiekeuze van de landoppervlakte. Het “eenvoudige” 5-lagenschema doet het net zo goed als het “geavanceerde” NOAH schema. In Cabauw doet het 5-lagenschema het beter terwijl in Düsseldorf het NOAH schema het best presteert. WRF is wel gevoelig voor bodemvochtwaardes in de simulatie van luchttemperaturen. Dankwoord Dit project is uitgevoerd in het kader van het vak ‘Atmospheric Modelling’ aan Wageningen Universiteit. Wij danken Robert Mureau en Wim van den Berg (MeteoGroup), die dit onderwerp voorstelden, voor het verstrekken van hun operationele WRF resultaten, en Marina Sterk, en Jordi Vilà voor hun begeleiding. We bedanken het KNMI voor het beschikbaar stellen van de waarnemingen van Cabauw en van het operationele waarnemingennetwerk, en het ECMWF voor het beschikbaar maken van de operationele analyse en forecast. Noten 1 Laura.muntjewerf@wur.nl Literatuur Dudhia, J. (1996). A multi-layer soil temperature model for MM5. In: Preprints, The Sixth PSU/NCAR mesoscale model users’ workshop – July 1996 (pp. 22-24). Skamarock W., Klemp, J. B., Dudhia, J., Gill, D. O., Barker, D. M., Duda, M.,.. & Powers, J. G. (2008). A description of the advanced research WRF version 3. NCAR technical note NCAR/TN/u2013475. National Center For Atmospheric Research Boulder Colorado; Mesoscale and Microscale Meteorology Division. http://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs/arw_v3_bw.pdf Steeneveld, G. J., L. F. Tolk, A. F. Moene, O. K. Hartogensis, W. Peters, and A. A. M. Holtslag (2011), Confronting the WRF and RAMS mesoscale models with innovative observations in the Netherlands: Evaluating the boundary layer heat budget, J. Geophys. Res., 116, D23114, doi:10.1029/2011JD016303. Tewari, M., F. Chen, W. Wang, J. Dudhia, M. A. LeMone, K. Mitchell, M. Ek, G. Gayno, J. Wegiel, and R. H. Cuenca, 2004: Implementation and verification of the unified NOAH land surface model in the WRF model. 20th conference on weather analysis and forecasting/16th conference on numerical weather prediction, pp. 11–15. Willmott, C.J, 1982: Some Comments on the Evaluation of Model Performance. Bull. Amer. Meteor. Soc., 63, 1309–1313.
Cabauw Experiment NOAH_REF NOAH_50% 5LAY_ref 5LAY_50% 5LAY_25% ECMWF forecast 00UTC7Maart
Düsseldorf
IoA 0.967 0.938 0.938 0.979 0.984
RMSE (K) 1.35 2.04 1.61 1.16 1.07
IoA 0.878 0.987 0.749 0.879 0.941
RMSE (K) 2.55 0.94 4.05 2.77 1.97
0.949
1.89
0.933
3.67
Tabel 3. Statistische modelevaluatie voor de T2m uitgesplitst voor Cabauw en voor Düsseldorf: Index of Agreement (IoA) en root-mean square error (RMSE). Meteorologica 4 - 2014
15