Parameterizations

28 downloads 133 Views 864KB Size Report
Interactions between parameterization schemes, where each scheme contains its own set of errors and assumptions (for example, a soil model and radiation ...
Parameterizations Sound Climate Change  Scenario Modeling Panama City 22‐25 May 2012

5/29/2012

1

What is parameterization? • the representation of important physical  processes that cannot be directly included in a  model

Why parameterize? y Parameterization is necessary  for several reasons: y Computers are not yet powerful  enough to treat many physical  processes explicitly because the  processes are either too small or  too complex to be resolved y Many other physical processes  cannot be explicitly modeled  because they are not sufficiently  understood to be represented in  equation format or there are no  appropriate data

y Physical process that cannot be directly predicted require parameterization  schemes based on reasonable physical (e.g., radiation) or statistical (e.g.,  inferring cloudiness from relative humidity) representations. y Several types of assumptions are used to "create" information. y Empirical/statistical: Assumes that a given relationship holds in every case. y Dynamical/thermodynamical: A complex process is summarized through a  simplified relationship. y Model within a model: Although the use of nested models pushes the  assumption back to a finer detail, eventually assumptions must still be made.  Running a model within a model requires far more development by modelers  and takes longer to run.

y Key problem of parameterization is trying to predict with incomplete  information (i.e..,  the effects of sub grid‐scale processes using only  information at the grid scale).

y Problems associated with using parameterizations can  result from y Interactions between parameterization schemes, where each  scheme contains its own set of errors and assumptions (for  example, a soil model and radiation scheme passing back and  forth information about heating the boundary layer)  y The increasing complexity and interconnectedness of  parameterizations, which result in forecast errors that are more  difficult to trace back to specific processes

y The largest impact of using parameterization schemes is  usually on predictions of sensible weather at the surface.  y These problems and impacts require that users apply  physical reasoning on a case‐by‐case basis when the  processes being parameterized are important to the  interpretation.

Parameterization “philosophies” • CCSM3 ƒ single parameterizations chosen for public release of  each model version ƒ allows developers to choose parameterization  schemes that work together well

• WRF ƒ multiple parameterizations included in each release ƒ allows users to select parameterization schemes best  suited for their use 

Major parameterizations in models y Convective parameterization y deep convection y shallow convection

y Microphysics (cloud processes) y Radiation y shortwave y longwave

y Planetary boundary layer y Surface layer y Land surface

Convective parameterization

Deep Convective Parameterization CCSM3 y Zhang and McFarlane [1995]  scheme: a plume ensemble  approach where it is assumed that  an ensemble of convective scale  updrafts (and associated saturated  downdrafts) may exist whenever  the atmosphere is conditionally  unstable in the lower troposphere.  y Sundqvist [1988] style  evaporation of the convective  precipitation as it makes its way to  the surface.

CESM1 y No major changes

WRF (cu_physics) 1. 2. 3. 4. 5.

6. 7. 8. 9. 10.

Kain‐Fritsch scheme: Deep and shallow convection sub‐grid  scheme using a mass flux approach with downdrafts and  CAPE removal time scale Betts‐Miller‐Janjic scheme. Operational Eta scheme.  Column moist adjustment scheme relaxing towards a well‐ mixed profile Grell‐Devenyi (GD) ensemble scheme: Multi‐closure, multi‐ parameter, ensemble method with typically 144 sub‐grid  members Simplified Arakawa‐Schubert:Simple mass‐flux scheme  with quasi‐equilibrium closure with shallow mixing scheme  (and momentum transport in NMM only). Grell 3D is an improved version of the GD scheme that may  also be used on high resolution (in addition to coarser  resolutions) if subsidence spreading (option cugd_avedx) is  turned on. Tiedtke scheme. Mass‐flux type scheme with CAPE removal  time scale, shallow component and momentum transport. Zhang‐McFarlane scheme . Mass‐flux CAPE‐removal type  deep convection from CESM climate model with  momentum transport. New Simplified Arakawa‐Schubert. New mass‐flux scheme  with deep and shallow components and momentum  transport. New Simplified Arakawa‐Schubert. New mass‐flux scheme  with deep and shallow components and momentum  transport. Old Kain‐Fritsch scheme: Deep convection scheme using a  mass flux approach with downdrafts and CAPE removal  time scale . 

Shallow Convective Parameterization CCSM3 • mass‐flux approach: based  on Hack 1994. No  entrainment and limited  detrainment. CESM1 • mass‐flux approach: based  on Park and Bretherton (2009).

WRF ishallow = 1 (works together  with Grell 3D scheme) 1. UW (Bretherton and Park)  scheme. Shallow cumulus  option from CESM climate  model with momentum  transport.

• Convective parameterization schemes were  designed to reduce instability in model  atmospheres.  • Prediction of precipitation is actually just a by‐ product of the way in which a scheme does this.  • Consequently, these schemes may not predict the  location and timing of convective precipitation as  well as users might expect. ƒ For climate models, the location and timing of  precipitation is less important than for weather  forecast models.

Microphysics (cloud) parameterization

Microphysics Parameterization CCSM3 • Rasch and Kristjánsson [1998] and Zhang et al.  [2003] three‐class (vapor,  liquid, ice) scheme. 

WRF (mp_physics) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

CESM1 • Morrison and Gettelman [2008] three‐class (vapor,  liquid, ice) double‐moment  scheme. 

9. 10. 11. 12. 13. 14.

Kessler scheme: A warm‐rain (i.e. no ice) scheme used commonly  in idealized cloud modeling studies. Lin et al. scheme: A sophisticated scheme that has ice, snow and  graupel processes, suitable for real‐data high‐resolution  simulations. WRF Single‐Moment 3‐class scheme: Simple, efficient scheme  with ice and snow processes suitable for mesoscale grid sizes. WRF Single‐Moment 5‐class scheme: A slightly more  sophisticated version that allows for mixed‐phase processes and  super‐cooled water. Eta microphysics: The operational microphysics in NCEP models.  A simple efficient scheme with diagnostic mixed‐phase processes.  WRF Single‐Moment 6‐class scheme: Ice, snow and graupel processes suitable for high‐resolution simulations. Goddard microphysics scheme. Ice, snow and graupel processes  suitable for high‐resolution simulations. New Thompson et al. scheme: Ice, snow and graupel processes  suitable for high‐resolution simulations. This adds rain number  concentration and updates the scheme from previous. Milbrandt‐Yau Double‐Moment 7‐class scheme. Includes  separate categories for hail and graupel with double‐moment  cloud, rain, ice, snow, graupel and hail. Morrison double‐moment scheme. Double‐moment ice, snow,  rain and graupel for cloud‐resolving simulations. WRF Double‐Moment 5‐class scheme. Double‐moment rain.  Cloud and CCN for warm processes, but is otherwise like WSM5. WRF Double‐Moment 6‐class scheme. Double‐moment rain.  Cloud and CCN for warm processes, but is otherwise like WSM6. Stony Brook University (Y. Lin) scheme. 5‐class scheme with  riming intensity predicted to account for mixed‐phase processes. NSSL 2‐moment scheme. Two‐moment scheme for cloud  droplets, rain drops, ice crystals, snow, graupel, and hail. Also  predicts average graupel particle density. Intended for cloud‐ resolving simulations (dx 

Suggest Documents