Sensitivity analysis and optimization of a mesoscale atmospheric model

Abstract

This dissertation focuses on the numerical simulation of extreme heat conditions on a regional and urban scale. In particular, a mesoscale meteorological model, the Weather Research and Forecasting (WRF), was used to analyze and optimize its efficiency in the simulation of heat wave episodes and Urban Heat Island (UHI) effect. Several sensitivity experiments were performed during a series of three numerical studies. The first numerical study has shown that the mesoscale modeling of heat waves is significantly dependent on a) the parameterization of surface heat exchange coefficients in the surface layer parameterization schemes, b) the simulation of surface heat fluxes from land surface models, and c) the parameterization of vertical mixing in the atmospheric boundary layer parameterization schemes. The results of the second numerical study have shown that the accurate and detailed representation of land use/land cover in urban environments is necessary to capture the phenomenon of UHI. Finally, the third numerical study highlighted the importance of the complex physical processes taking place in cities and catalytically influencing the intra-urban distribution of temperatures. For the proper representation of these processes, it is necessary to couple the WRF model with the Single Layer Urban Canopy Model (SLUCM), using a modified equation to calculate the urban surface temperature. Equally necessary is the adaptation of surface and urban geometry parameters to each area of interest to achieve a realistic representation of the urban environment. In this context, the sensitivity analysis carried out showed that the formation and evolution of UHI are greatly influenced by the surface albedo, the street canyon geometry, and the sub-grid urban fraction. Applying the optimal parameters for Athens has led to a significant improvement in the model performance, with reductions in temperature biases from 0.30 °C to approximately 1.60 °C. The fact that the parameters used are consistent with the actual city characteristics gives confidence that the WRF model has been optimized under that configuration and can be used to study and operationally predict the UHI in Athens under the conditions of a warmer climate in the future.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στη αριθμητική προσομοίωση ακραίων θερμικών συνθηκών σε περιφερειακή και αστική κλίμακα. Ειδικότερα, ένα σύγχρονο μετεωρολογικό μοντέλο μέσης κλίμακας, το Weather Research and Forecasting (WRF), χρησιμοποιήθηκε με σκοπό την ανάλυση και βελτιστοποίηση της αποδοτικότητάς του στην προσομοίωση επεισοδίων καύσωνα και του φαινομένου της Αστικής Θερμικής Νησίδας (ΑΘΝ). Διάφορα πειράματα ευαισθησίας πραγματοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια μιας σειράς τριών αριθμητικών μελετών. H πρώτη αριθμητική μελέτη έδειξε ότι η προσομοίωση καυσώνων στην μέση κλίμακα εξαρτάται σημαντικά από την α) παραμετροποίηση των συντελεστών επιφανειακής ανταλλαγής θερμότητας στα σχήματα παραμετροποίησης του στρώματος επιφάνειας, β) την προσομοίωση των ροών θερμότητας από τα μοντέλα επιφάνειας της γης, και γ) την παραμετροποίηση της κατακόρυφης ανάμειξης στα σχήματα παραμετροποίησης του ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος. Τα αποτελέσματα της δεύτερης αριθμητικής μελέτης έδειξαν ότι η ακριβής και λεπτομερής αναπαράσταση των χρήσεων γης στα αστικά περιβάλλοντα είναι απαραίτητη για την αποτύπωση του φαινομένου της ΑΘΝ. Τέλος, η τρίτη αριθμητική μελέτη ανέδειξε τη σημασία των πολύπλοκων φυσικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στις πόλεις και επηρεάζουν καταλυτικά την ενδο-αστική κατανομή των θερμοκρασιών. Για την σωστή αναπαράσταση αυτών των διεργασιών είναι η απαραίτητη η σύζευξη του μοντέλου WRF με το μοντέλο αστικού θόλου Single Layer Urban Canopy Model (SLUCM), χρησιμοποιώντας μια τροποποιημένη εξίσωση για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας του αστικού εδάφους. Εξίσου απαραίτητη είναι η προσαρμογή των παραμέτρων επιφάνειας και αστική γεωμετρίας στην εκάστοτε περιοχή ενδιαφέροντος έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η ρεαλιστική αναπαράσταση του αστικού περιβάλλοντος. Στο πλαίσιο αυτό, η ανάλυση ευαισθησίας που πραγματοποιήθηκε έδειξε ότι η δημιουργία και εξέλιξη της ΑΘΝ επηρεάζονται καθοριστικά από την ανακλαστικότητα των επιφανειών, την γεωμετρία των αστικών χαράδρων και το ποσοστό αστικής κάλυψης. Η εφαρμογή των βέλτιστων παραμέτρων για την Αθήνα οδήγησε στην σημαντική βελτίωση της απόδοσης του μοντέλου, με τις μειώσεις των θερμοκρασιακών αποκλίσεων να κυμαίνονται από 0.30 έως περίπου 1.60 βαθμούς κελσίου. Το γεγονός ότι οι παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν είναι σύμφωνες με τα πραγματικά χαρακτηριστικά της πόλης παρέχει την βεβαιότητα ότι το μοντέλο WRF έχει βελτιστοποιηθεί κάτω από την συγκεκριμένη διαμόρφωση και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την μελέτη και πρόγνωση της ΑΘΝ στην Αθήνα υπό τις συνθήκες ενός θερμότερου κλίματος στο μέλλον.