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Abstract:
Clouds are an important regulator of the Earth's radiation budget and represent a major link
between radiation and the hydrological cycle. In contrast to the "standard" method of compar-
ing the model results with long-term climatologies, a different approach to validate clouds and
cloud systems in ECHAM4 T106 is used by investigating the representation of synoptic-scale
cloud systems. The aim is to explore whether the realistically reproduced mean cloud amounts
are the result of a realistic representation of clouds in a higher temporal resolution. To enable a
validation against observations, a dynamical adjustment approach based on the so-called New-
tonian relaxation technique (nudging) is used, which relaxes the model state towards reanalysis
data by adding a non-physical relaxation term to the model equations. In the simulations vor-
ticity, divergence, temperature and the logarithm of surface pressure are adjusted to ECMWF
reanalysis fields. The strength of the forcing is controlled by an adjustment time scale which is
different for each adjusted variable.
The development of an extraordinary strong cyclone along the East Coast of the U.S.A. and
a North Atlantic blocking situation are chosen as case studies. The synoptic systems have
been selected to cover a large range of typical phenomena. A third situation, namely tropical
convection in the'r¡¡estern Pacific warm pool region, has been excluded from the cloud validation,
since the Newtonian relaxation cannot force the model to the observed state for single convective
events.
Compared to observations, the synoptic-scale features are well reproduced by the model. This
is true even for variables which are not adjusted to the observed state. The general features
of the horizontal and vertical cloud distribution are well reproduced for both synoptic systems.
Nevertheless, systematic differences occur. The model underestimates clouds in low and middle
levels of the troposphere and therefore total cloud amounts. Low-level clouds are most obviously
underestimated in the blocking situation and behind the cold front of the developing cyclone,
while the underestimation of mid-level cloudiness seems to be a more general feature which
appears in both cases. On the other hand, thin upper-level cirrus anvils in pre-frontal regions
seem to be overestimated. For the blocking situation, in addition, the horizontal distribution of
clouds is different compared to ISCCP observations.
Sensitivity studies are carried out to confirm the findings of the cloud validation in order to study
the effects of changes in the description of clouds and other processes, which will be included
into the upcoming model version ECHAMS. Such experiments are an AMIP2 simulation, a
more sophisticated stratiform cloud scheme PCI, developed by Lohmann and Roeckner (1996a),
and the new advection scheme SPITFIRE (Rasch and Lawrence, 1997). With an experiment
using a changed profile of the "critical relative humidity", the effect of small changes on the
representation of clouds is investigated. All experiments lead to larger cloud amounts in the
lower troposphere and a slight increase in mid-level cloud amounts. Small changes occur in the
upper troposphere, except for the PCI scheme, which clearly reduces the upper-level cloudiness.
Encouraging is that the changed condensation profile in the experiment RHCRIT, which is only
a small modification compared to the other experiments, clearly improves the representation of
clouds in the blocking situation and even slightly improves the cloud distribution in the extra-
tropical cyclone. In short, the modified profile of the critical relative humidity and the more
sophisticated stratiform cloud scheme PCI lead to considerable improvements in the blocking sit-
uation, while the representation of frontal cloudiness in the East Coast storm is mainly improved
by AMIP2 and SPITFIRE.
Abstract:
Wolken beeinflussen stark den Strahlunghaushalt der Erde und stellen eine wichtige Verbindung
zwischen der Strahlung und dem Hydrologischen Zyklus dar. Im Gegensatz ztsr "Standard-
Methode" der Validierung eines Klimamodelles, bei der die Modellergebnisse mit langjährigen
Klimatologien verglichen werden, wurde ein anderer Weg gewählt. Hier wurde die Darstellung
einzelner synoptischer Systeme in einer höheren räumlichen und zeitlichen Auflösung unter-
sucht. Eines der Ziele war es, herauszufinden, ob der im Mittel realistisch wiedergegebene Be-
deckungsgrad das Ergebnis der realistischen Darstellung von Wolken in einer höheren zeitlichen
Auflösung ist - oder anders gesagt, ob das realistisch dargestellte Klima die Ursache eines rea-
listisch wiedergegebenen Wetters ist.
Um eine Validierung dieser Systeme gegenüber Beobachtungen zu ermöglichen, wurde eine
dynamische Anpassung basierend auf der sogenannten "Newton'schen Relaxations Technik"
("nudging") benutzt. Diese passt die Modellgleichungen (Modell-Dynamik) durch das Addieren
eines "nicht-physikalischen" Anpassungsterms der Reanalyse des Europäische Zentrums für mit-
telfristige Wettervorhersage (EZMW) an. In den hier durchgeführten Simulationen wurden Vor-
ticity, Divergenz und Temperatur aller Schichten der Modellatmosphäre sowie der Logarithmus
des Bodendrucks angepasst. Die Stärke der Anpassung wird dabei durch eine für jede Variable
unterschiedliche Anpassungszeit bestimmt. Außerdem geht die Meeresoberflächen-Temperatur
als untere Randbedingung ein.
Die Entwicklung eines außergewöhnlich starken außertropischen Tiefdruckgebietes entlang der
Ostküste der USA und ein blockierendes Hochdruckgebiet über dem Nordatlantik wurden als
Fallstudien verwendet. Die beiden Systeme wurden ausgesucht, um einen möglichst großen
Bereich von synoptischen Systemen zu erfassen. Eine dritte Situation, tropische Konvektion
über den Warmwassergebieten des westlichen Pazifiks, wurde in der Validierung von Wolken
nicht berücksichtigt, da die Anpassungsmethode das Modell für einzelne konvektive Ereignisse
nicht auf die Beobachtung zwingen kann.
Für die Vergleiche wurden Beobachtungen aus verschiedenen Quellen herangezogen. Die synop-
tischen Merkmale wurden mit den tatsächlichen Beobachtungen aus anderen Veröffentlichungen
verglichen, während für die Validierung der Wolken Sattelitenbeobachtungen (ISCCP) verwendet
wurden. Im Vergleich zu den Beobachtungen werden die synoptischen Merkmale vom Modell
sehr gut wiedergegeben. Das gilt auch für die Variablen, die nicht direkt angepasst werden.
Die allgemeinen Merkmale der horizontalen und vertikalen \Molkenverteilung werden ebenfalls
für beide synoptischen Systeme realistisch wiedergegeben. Dennoch treten Unterschiede zu den
Beobachtungen auf. Das Modell unterschätzt den Bedeckungsgrad in niedrigen und mittleren
Schichten der Tloposphäre und deswegen auch den Gesamtbedeckungsgrad. Wolken in der
unteren Tloposphäre werden am deutlichsten im Bereich des blockierenden Hochdruckgebietes
und hinter der Kaltfront des sich entwickelnden Tiefdruckgebietes unterschätzt. In mittleren
Schichten scheint die unterschiedliche Bewölkung dagegen ein allgemeines Problem zu sein, das
durchweg in beiden untersuchten Systemen auftritt. Andererseits werden Cirrus Wolken in der
oberen Tboposphäre vor allem in prä-frontalen Bereichen überschätzt. Bei der Blocking-Situation
ist auch die grobe Struktur der Wolkenverteilung im Modell anders als bei den Beobachtungen
von ISCCP.
Weiterhin sind Sensitivitäts-trxperimente durchgeführt worden, um die in der Validierung an-
genommenen Ursachen für die Schwächen bei der Darstellung von Wolken zu bestätigen oder
zu widerlegen und um die Wirkung anderer Veränderungen in den Parametrisierungen auf die
Darstellung von Wolken zu testen, die in die neue Modellversion ECHAMS eingebaut wer-
den sollen. Solche Experimente sind z.B. eine AMIP2 Simulation, ein verbessertes stratiformes
Wolkenschema, entwickelt von Lohmann and Roeckner (1996a), und das neue Advektionsschema
SPITFIRE (Rasch and Lawrence, 1997).Außerdem wird mit einem weiteren Experiment (RHCRIT), in dem ein verändertes Vertikal-
profil der "kritischen relativen Feuchte" verwendet wurde, stellvertretend der Einfluß kleiner
Veränderungen untersucht, die zu einer verbesserten Darstellung von Wolken führen könnten.
Alle Experimente führen zu einer stärkeren Bewölkung in der unteren TYoposphäre und einem
leicht verstärkten Bedeckunggrad in mittleren Schichten. Geringere Unterschiede treten dage-
gen in der oberen Tloposphäre auf, abgesehen von der PCl-Simulation, die die Bewölkung in
der oberen Tïoposphäre deutlich reduziert. Interessant ist, daß es durch die, im Vergleich zu
den anderen Experimenten, geringe Modifikation im RHCRIT Experiment zu einer deutlichen
Verbesserung der Darstellung von Wolken im Bereiche des blockierenden Hochdruckgebietes
kommt und auch die Wolkenverteilung in der außertropischen Zyklone verbessert wird. Während
das PCI und das RHCRIT Experiment vor allem zu einer verbesserten Darstellung des block-
ierenden Hochdruckgebietes führen, wird die Darstellung des außertropischen Tiefdruckgebietes
am deutlichsten von AMIP2 und SPITFIRE verbessert.
