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Assessment of the Wind Gust Estimate Method in mesoscale modelling of storm events over West Germany

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Abstract:

A physically based gust parameterisation is added to the atmospheric mesoscale model FOOT3DK to estimate wind gusts associated with storms over West Germany. The gust parameterisation follows the Wind Gust Estimate (WGE) method and its functionality is verified in this study. The method assumes that gusts occurring at the surface are induced by turbulent eddies in the planetary boundary layer, deflecting air parcels from higher levels down to the surface under suitable conditions. Model simulations are performed with horizontal resolutions of 20 km and 5 km. Ten historical storm events of different characteristics and intensities are chosen in order to include a wide range of typical storms affecting Central Europe. All simulated storms occurred between 1990 and 1998. The accuracy of the method is assessed objectively by validating the simulated wind gusts against data from 16 synoptic stations by means of “quality parameters”. Concerning these parameters, the temporal and spatial evolution of the simulated gusts is well reproduced. Simulated values for low altitude stations agree particularly well with the measured gusts. For orographically exposed locations, the gust speeds are partly underestimated. The absolute maximum gusts lie in most cases within the bounding interval given by the WGE method. Focussing on individual storms, the performance of the method is better for intense and large storms than for weaker ones. Particularly for weaker storms, the gusts are typically overestimated. The results for the sample of ten storms document that the method is generally applicable with the mesoscale model FOOT3DK for mid-latitude winter storms, even in areas with complex orography.

German
Das mesoskalige Atmosphärenmodell FOOT3DK wird um eine physikalisch basierte Böenparametrisierung erweitert, deren Funktionstüchtigkeit innerhalb der vorliegenden Studie geprüft wird. Mit dem Verfahren sollen die Böen abgeschätzt werden, die in Verbindung mit der Passage von Winterstürmen über Westdeutschland auftreten. Die vorliegende Böenparametrisierung lehnt sich dabei an die aus dem englischen übernommene "Wind Gust Estimate" (WGE) Methode an. In dieser Methode wird angenommen, dass eine am Boden auftretende Böe durch das Heruntermischen von Luftpaketen aus höheren Schichten bis zur Oberfläche verursacht werden kann. Dieser Transport erfolgt innerhalb der planetaren Grenzschicht bei geeigneten Bedingungen mit Hilfe von turbulenten Eddies. Die hierzu durchgeführten Modellsimulationen werden sowohl mit einer horizontalen Auflösung von 20 km als auch mit 5 km durchgeführt. Es werden insgesamt zehn historische Stürme mit unterschiedlichen Charakteristiken und Intensitäten betrachtet, um ein breites Spektrum von typischen Stürmen für Mitteleuropa zur Verfügung zu stellen. Alle nachsimulierten Stürme traten in den Jahren 1990 bis 1998 auf. Die Anwendbarkeit der Methode wird auf Grundlage von Messwerten an 16 synoptischen Stationen unter Verwendung von verschiedenen Gütemaßen objektiv bewertet. Mit Bezug auf diese Gütemaße wird die zeitliche und räumliche Entwicklung der Stürme durch die simulierten Böen gut reproduziert. Dabei stimmen besonders die Simulationen für die Flachlandstationen oftmals sehr gut mit den gemessenen Böen überein. Für orographisch exponierte Lagen ergibt sich teilweise eine Unterschätzung der Böengeschwindigkeiten. Die absoluten Spitzenböen befinden sich dennoch in den meisten Fällen im Bereich des Abschätzungsintervalls, welches durch die WGE Methode bestimmt wird. Die Methode liefert des Weiteren für starke und großräumige Stürme bessere Resultate als für schwächere Systeme. Im letzteren Fall werden die Böen typischerweise überschätzt. Die Ergebnisse für die 10 ausgewählten Stürme untermauern, dass die Methode prinzipiell in Verwendung mit dem Modell FOOT3DK für die Mittleren Breiten verwendet werden kann, um Böen im Zusammenhang mit Winterstürmen zu simulieren. Dies gilt auch für Simulationsgebiete mit komplexer Orographie.

Document Type: Research Article

DOI: http://dx.doi.org/10.1127/0941-2948/2009/0402

Publication date: October 1, 2009

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