The correct simulation of the atmospheric boundary layer (ABL) is crucial for reliable weather forecasts in truly complex terrain. However, common assumptions for model parametrizations are only valid for horizontally homogeneous and flat terrain. Here, we evaluate the turbulence parametrization of the numerical weather prediction model COSMO with a horizontal grid spacing of $$\Delta x = 1.1\,\hbox {km}$$Δx=1.1km for the Inn Valley, Austria. The long-term, high-resolution turbulence measurements of the i-Box measurement sites provide a useful data pool of the ABL structure in the valley and on slopes. We focus on days and nights when ABL processes dominate and a thermally-driven circulation is present. Simulations are performed for case studies with both a one-dimensional turbulence parametrization, which only considers the vertical turbulent exchange, and a hybrid turbulence parametrization, also including horizontal shear production and advection in the budget of turbulence kinetic energy (TKE). We find a general underestimation of TKE by the model with the one-dimensional turbulence parametrization. In the simulations with the hybrid turbulence parametrization, the modelled TKE has a more realistic structure, especially in situations when the TKE production is dominated by shear related to the afternoon up-valley flow, and during nights, when a stable ABL is present. The model performance also improves for stations on the slopes. An estimation of the horizontal shear production from the observation network suggests that three-dimensional effects are a relevant part of TKE production in the valley.

中文翻译：

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三维效应对主要高寒山谷湍流动能模拟的影响

大气边界层 (ABL) 的正确模拟对于在真正复杂的地形中进行可靠的天气预报至关重要。然而，模型参数化的常见假设仅适用于水平均匀和平坦的地形。在这里，我们评估了数值天气预报模型 COSMO 的湍流参数化，其中奥地利因谷的水平网格间距为 $$\Delta x = 1.1\,\hbox {km}$$Δx=1.1km。i-Box 测量站点的长期、高分辨率湍流测量为山谷和斜坡上的 ABL 结构提供了有用的数据池。我们专注于 ABL 过程占主导地位并且存在热驱动循环的白天和黑夜。对具有一维湍流参数化的案例研究进行了模拟，它只考虑垂直湍流交换和混合湍流参数化，还包括湍流动能 (TKE) 预算中的水平剪切产生和平流。我们发现一维湍流参数化模型普遍低估了 TKE。在混合湍流参数化的模拟中，模型化的 TKE 具有更真实的结构，特别是在 TKE 生产以与下午向上谷流相关的剪切为主的情况下，以及在夜间存在稳定 ABL 的情况下。对于斜坡上的站点，模型性能也有所提高。从观测网络对水平切变产生的估计表明，三维效应是山谷中 TKE 产生的一个相关部分。和混合湍流参数化，还包括湍流动能 (TKE) 预算中的水平剪切产生和平流。我们发现一维湍流参数化模型普遍低估了 TKE。在混合湍流参数化的模拟中，模型化的 TKE 具有更真实的结构，特别是在 TKE 生产以与下午向上谷流相关的剪切为主的情况下，以及在夜间存在稳定 ABL 的情况下。对于斜坡上的站点，模型性能也有所提高。从观测网络对水平切变产生的估计表明，三维效应是山谷中 TKE 产生的一个相关部分。和混合湍流参数化，还包括湍流动能 (TKE) 预算中的水平剪切产生和平流。我们发现一维湍流参数化模型普遍低估了 TKE。在混合湍流参数化的模拟中，模型化的 TKE 具有更真实的结构，特别是在 TKE 生产以与下午向上谷流相关的剪切为主的情况下，以及在夜间存在稳定 ABL 的情况下。对于斜坡上的站点，模型性能也有所提高。从观测网络对水平切变产生的估计表明，三维效应是山谷中 TKE 产生的一个相关部分。还包括湍流动能 (TKE) 预算中的水平剪切产生和平流。我们发现一维湍流参数化模型普遍低估了 TKE。在混合湍流参数化的模拟中，模型化的 TKE 具有更真实的结构，特别是在 TKE 生产以与下午向上谷流相关的剪切为主的情况下，以及在夜间存在稳定 ABL 的情况下。对于斜坡上的站点，模型性能也有所提高。从观测网络对水平切变产生的估计表明，三维效应是山谷中 TKE 产生的一个相关部分。还包括湍流动能 (TKE) 预算中的水平剪切产生和平流。我们发现一维湍流参数化模型普遍低估了 TKE。在使用混合湍流参数化的模拟中，建模的 TKE 具有更真实的结构，特别是在 TKE 生产以与下午向上谷流相关的剪切为主的情况下，以及在夜间存在稳定 ABL 的情况下。对于斜坡上的站点，模型性能也有所提高。从观测网络对水平切变产生的估计表明，三维效应是山谷中 TKE 产生的一个相关部分。在混合湍流参数化的模拟中，模型化的 TKE 具有更真实的结构，特别是在 TKE 生产以与下午向上谷流相关的剪切为主的情况下，以及在夜间存在稳定 ABL 的情况下。对于斜坡上的站点，模型性能也有所提高。从观测网络对水平切变产生的估计表明，三维效应是山谷中 TKE 产生的一个相关部分。在使用混合湍流参数化的模拟中，建模的 TKE 具有更真实的结构，特别是在 TKE 生产以与下午向上谷流相关的剪切为主的情况下，以及在夜间存在稳定 ABL 的情况下。对于斜坡上的站点，模型性能也有所提高。从观测网络对水平切变产生的估计表明，三维效应是山谷中 TKE 产生的一个相关部分。