Abstract
Målet med dette arbeidet er å finne ut om moderne numeriske atmosfæremodeller klarer å varsle underkjølt skyvann og underkjølt regn. I den mye brukte atmosfæremodellen WRF (Weather Research and Forcasting [Skamarock et al. 2008]) er det de siste årene utviklet en rekke skyfysikkparameteriseringsskjemaer, og vi gjennomgår to av dem i detalj: Thompsonskjemaet [Reisner et al. 1998, Thompson et al. 2004, Thompson et al. 2008] og Morrisonskjemaet [Morrison et al. 2005A].
Som empirisk grunnlag prøver vi ut WRF-modellen med de to utvalgte skyfysikkskjemaene på noen tilfeller der vi har gode observasjoner av underkjølt skyvann. De observerte skyene er alle skandinaviske vintertilfeller av stratocumulus. Vi har to case ved Danmark der vi har fått tilgang til in-situmålinger av skyvanninnhold og dråpestørrelse i skyer med underkjølt skyvann i nærheten av Aarhus flyplass i februar 2012. I tillegg studerer vi underkjølte skyer over de sørøstlige delene av Norge i januar 2010 da det ble rapportert om betydelige isingsproblemer på fly.
Hovedresultatet i oppgaven er at WRF-modellen klarer å modellere skyene i de observerte casene på en god måte. Den generelle værsituasjonen stemmer med observasjonene, og vi finner igjen skyer med de riktige egenskapene. Det er likevel noen mangler med hensyn til hvor høyt skyene ligger, og i noen av simuleringene som benytter Morrisonskjemaet blir det for lite nedbør.
Generelt gir Thompsonskjemaet bedre resultater enn Morrisonskjemaet. Ved å gjøre endringer i Thompsonskjemaet og kjøre modellen på nytt, klarer vi å avgrense en viktig forskjell til å være formuleringen av skyprosessene knyttet til snø. Særlig klarer vi å isolere mekanismen for hvordan snø samler opp underkjølt skyvann (riming) som den viktigste for å generere realistiske mengder nedbør med Thompsonskjemaet. Dette stemmer godt overens med vekten [Thompson et al. 2008] legger på representasjonen av størrelsesfordelingen, tettheten, den geometriske formen og fallhastigheten til snø, noe som igjen påvirker mekanismen for hvordan snø samler opp skyvann.
The goal of this master thesis is to decide whether modern numerical atmospheric models are capable of predicting occurrences of supercooled cloud water and rain. The frequently applied model WRF (Weather Research and Forcasting [Skamarock et al. 2008]) has been equipped with a number of advanced microphysics schemes over the last few years. We consider two of these microphysics schemes in detail: The Thompson scheme [Reisner et al. 1998, Thompson et al. 2004, Thompson et al. 2008] and the Morrison scheme [Morrison et al. 2005A].
As empirical basis for our study we have chosen a few specific cases were we have reliable observations of supercooled cloud water. These cases are all Scandinavian winter time situations with stratocumulus clouds. We consider two cases in Denmark where we have gained access to in situ measurements of cloud water content and cloud droplet sizes in clouds that developed in the vicinity of Aarhus Airport in February 2012. In addition, we consider supercooled clouds that developed over the south-eastern parts of Norway in January 2010, when occurences of severe icing were reported on aircrafts.
The main result is that the WRF model is indeed able to simulate the clouds in the cases considered. The general weather conditions in the simulations correspond well to the observations, and we are able to identify clouds in the simulations that correspond well to the observed clouds. There are some deficiencies with respect to the height of the clouds, and in some of the simulations using the Morrison scheme there is too little precipitation.
In general, the Thompson scheme gives better results than the Morrison scheme in the cases considered. By adjusting the Thompson scheme and rerunning the simulations, we are able to isolate an important difference to be the formulation of snow processes. In particular, the riming process for snow (i.e. snow collection of cloud droplets) is identified as crucial for producing realistic amounts of precipitation with the Thompson scheme. This corresponds well with the emphasis in [Thompson et al. 2008], where the representation of the size distribution, density, geometric form, and fall speed of snow are considered to be of primary importance - these features in the microphysics scheme are vital for the formulation of the riming process.