Molnparameterisering

Hur molnen beskrivs är en central del i de numeriska prognosmodellerna.

Molnens fysikaliska betydelse

Det är viktigt att representera moln i numeriska vädermodeller då de är avgörande för strålningsbalansen, den hydrologiska cykeln, samt genom processer så som kondensation och avdunstning hjälper till att värma upp och kyla ner atmosfären. Men att på ett korrekt sätt beskriva moln i numeriska vädermodeller är en stor utmaning, då molnbildning sker genom komplexa fysikaliska processer vilka växelverkar över olika skalor i atmosfären. Vidare så varierar molnens höjd och horisontella utbredning väldigt mycket, vilket medför att beskrivningen av moln är starkt kopplad till modellens vertikala och horisontella upplösning.

Geometri

Moln som bildas vid konvektion har en horisontell längdskala mellan några hundra meter och några kilometer, men kan växa vertikalt genom hela troposfären, medan moln associerade med synoptiska frontsystem har en horisontell längdskala på flera mil. Om modellens horisontella upplösning är tillräckligt hög, kan vi anta att en hel gridruta fylls av molnkondensat då vi når ett mättat tillstånd, och molnfraktionen i gridrutan blir antingen 0 eller 1. Då ligger parameteriseringsuppgiften i att beskriva molnets mikrofysik. Men att köra numeriska vädermodeller, eller klimatmodeller med så pass hög upplösning (några hundra meter) blir väldigt kostsamt.

Därför är en vanlig metod inom molnparameterisering att anta att det finns en inhomogen fördelning av vattenånga och temperatur inom en gridruta, då kan delar av gridrutan bli mättad och bilda moln om den relativa fuktigheten överstiger ett angivet kritiskt värde. Moln kan alltså bildas även om medelvärdet av gridrutans relativa fuktighet är mindre än 100%, och molnfraktionen i gridrutan blir ett värde mellan 0 och 1. När vi går mot högre modellupplösning så kan mer och mer av de djupa konvektiva molnen lösas upp. Men det finns fortfarande moln så som stratocumulus och "shallow cumulus" - "vackert väder moln" som fortfarande är mindre än modellupplösningen. Dessa moln är starkt kopplade till processer i gränsskiktet, så som turbulens och konvektion.

Mikrofysik

I mikrofysikschemat vill vi beskriva processerna för molnbildning, igångsättandet av nederbörd samt avdunstning av moln och nederbörd. För att göra det behöver vi beskriva fasövergången mellan vattenånga och molnkondensat (molndroppar) samt iskristaller. Nästa steg är att beskriva processer där vi bildar regn/snö/hagel från molndroppar och iskristaller, samt hur dessa advekteras och faller genom modellnivåerna, och till sist hur molndroppar/iskristaller/nederbörd avdunstar eller sublimeras. Vi representerar molndroppar, iskristaller, regn, kornsnö, snö och hagel med olika storleksspektrum som är karaktäriserade av modellparametrar så som massa (blandningsförhållande).

På SMHI

På SMHI utvecklar vi de numeriska vädermodellerna mot allt högre horisontell upplösning inom HIRLAM-projektet, vilket är ett internationellt samarbete mellan flera länder i Europa. Med högre modellupplösning vill vi försöka representera både små- och storskaliga effekter av djup konvektion och gravitationsvågor, och på det sättet modellera organisation av konvektiva moln till meso-skaliga vädersystem.

Molnsimulering plottad som en satellitbild
Bilden visar en simulering av molnen med en högupplöst modell (2 km), som plottats på samma sätt som en satellitbild. 20070812 kl 13.
Förstora Bild
Moln satellitverifikation
Motsvarande satellitbild
Förstora Bild