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Landoberflächenmodelle (engl. land surface model, LSM) werden heutzutage nicht nur in numerischen Wetter- und Klimavorhersagemodellen eingesetzt, sondern finden auch zunehmend in Modellen für mikroskalige atmosphärische Phänomene Anwendung. Das LSM übernimmt dabei die wichtige Kopplung zwischen Atmosphäre und Boden und ermöglicht es, dass viele unterschiedliche Land- und Bodentypen abgebildet werden. Das Simulationsmodell PALM wird seit mehr als zwanzig Jahren für atmosphärische Grenzschichtprozesse eingesetzt und seit einigen Jahren immer häufiger für komplexe Anwendungen, beispielsweise in Städten, mit integriertem LSM eingesetzt. In der aktuellen Studie wird das LSM in PALM beschrieben und mit in-situ Beobachtungsdaten aus Cabauw (Niederlande) evaluiert. Dazu werden zwei aufeinander folgende Strahlungstage simuliert und Temperatur, spezifische Feuchte, Horizontalwind sowie Komponenten der Energiebilanz mit Beobachtungsdaten verglichen. Dabei zeigen wir, dass die modellierten Komponenten der Energiebilanz im Analysezeitraum konsistent mit den Beobachtungen sind. Allerdings wird die stabile Schichtung der nächtlichen Grenzschicht von dem Modell überschätzt. Am Tag sind keine signifikanten Unterschiede in der bodennahen Temperatur und Feuchte zu beobachten. In einer Sensitivitätsanalyse wird der Einfluss verschiedener Parameter des LSMs auf den Simulationsverlauf getestet, da die Wahl dieser durch den Nutzer eine erhebliche Unsicherheit des Modellsetups darstellt. Insbesondere eine ungenaue Abschätzung des Blattflächenindexes, der Albedo oder des initialen Feuchtegehalts der Grenzschicht führen zu einem signifikanten Fehler in der Simulation der turbulenten fühlbaren und latenten Wärmeströme am Tag. Die nächtliche Grenzschicht wird hingegen hauptsächlich durch die Rauigkeitslänge und das gewählte Strahlungsmodell beeinflusst.

Stürme können extreme Kräfte entwickeln, die ganze Bäume beschädigen können. Bei solchen Starkwind-Wetterlagen können Baumschäden auftreten, die von einzelnen abgebrochenen Ästen bis hin zum Abknicken ganzer Baumstämme oder der Entwurzelung des ganzen Baumes reichen. Besonders im urbanen Umfeld kann durch diesen sogenannten Windwurf, neben dem eigentlichen Holzschaden, auch erheblicher Sachschaden oder sogar Lebensgefahr für die Stadtbevölkerung entstehen. Daraus resultiert ein besonderes Interesse von Stadtverwaltungen und Stadtplanern, möglichst realistisch vorhersagen zu können, welche Stadtbäume der größten Gefahr durch Windwurf ausgesetzt sind. Computersimulationen sind ein gutes Hilfsmittel um Windwurf vorherzusagen und entsprechende präventive Maßnahmen zu planen. Neben möglichst genauen Informationen über die Beschaffenheit der Bäume selbst, ist eine möglichst gute Vorhersage der Windgeschwindigkeitsspitzen unbedingte Voraussetzung um Sturmschäden an Stadtbäumen vorhersagen zu können. Während Starkwind-Wetterlagen sind Windböen als lokales turbulentes Phänomen die Ereignisse mit den höchsten Windgeschwindigkeiten. Um die lokale Turbulenz in der Größenordnung einzelner Bäume und typischer urbaner Strukturen aufzulösen, wird heutzutage die hochauflösende Large-Eddy-Simulation (LES) als ein angemessenerer und physikalischer Ansatz betrachtet. Das Stadtklimamodell PALM ist ein hochauflösendes LES-Modell, das in der Lage ist, komplexe urbane Umgebungen zu simulieren. Wir haben PALM um ein Windwurf-Modell erweitert und anschließend untersucht, wie sich Windböen, die durch die lokale urbane Umgebung verursacht werden, auf die Windwurf-Gefährdung einzelner Stadtbäume auswirken. Dabei haben wir besonderen Fokus darauf gelegt, wie sich die Windwurf-Gefährdung einzelner Bäume in Baumgruppen während anhaltender Starkwind-Wetterlagen verändert, nachdem Nachbarbäume bereits gefallen sind.

Das Large-Eddy Simulationsmodell PALM-4U wurde in den letzten Jahren als Stadtklimamodell ausgebaut, mit dem Ziel die für stadtklimatologische Fragestellungen relevanten physikalischen Prozesse auf der Mesoskala sowie Mikroskala zu berücksichtigen. Um die Leistungsfähigkeit von PALM-4U zu demonstrieren, präsentieren wir in diesem Beitrag zwei simulierte Szenarien, ein Winter- und ein Sommerszenario, welche die gesamte Bandbreite der implementierten Stadtklimakomponenten ausnutzen. In beiden Szenarien wird die Stadt Berlin simuliert, deren gesamte Stadtfläche vom Simulationsgebiet abgedeckt wird. Der simulierte Bereich erstreckt sich über ein Gebiet von etwa 50 km x 50 km und umfasst somit das vollständige Stadtgebiet von Berlin und die nähere Umgebung. Die räumliche Auflösung variiert im Simulationsgebiet zwischen 16 m und 2 m. Durch die gewählte Gebietsgröße, Gitterweite und die Anzahl der explizit dargestellten Wechselwirkungen stellen die gezeigten Simulationen nach unserer Kenntnis die bisher weltweit größten und umfangreichsten Stadtklimasimulationen auf LES Basis dar. Momentan dienen die Ergebnisse der Simulationen als Grundlage zur Evaluierung des Modells. Im Beitrag zeigen wir wie die Eingangsdaten in die Simulationen einfließen und sich auf die Modellergebnisse auswirken. Dabei wird das Augenmerk sowohl auf die allgemeine Bodenbeschaffenheit, die explizit aufgelöste Vegetation und die Gebäude gelegt, als auch auf die seitlichen Randbedingungen welche aus dem mesoskaligen Modell COSMO stammen um Änderungen auf der Mesoskala abzubilden. Tagesgänge der meteorologischen Größen wie Lufttemperatur, Feuchte und Wind können sowohl im Stadtzentrum als auch in der ländlichen Umgebung im Außenbereich der Stadt wiedergegeben werden und stimmen mit Messungen überein. Durch die hohe räumliche Auflösung und die explizite Berücksichtigung von Hindernissen können flächendeckend für ganz Berlin aktuelle Fragestellungen der Stadtplanung beantwortet werden. Der thermische Komfort kann beispielsweise mittels der direkt von PALM-4U berechneten Größen UTCI oder PET bestimmt werden. "Hot-Spot" Analysen können durch die gesamt-städtische Betrachtung lückenlos durchgeführt werden. Insbesondere kann bei der Betrachtung eines vollständigen Stadtgebiets der urbane Wärmeinseleffekt abgebildet und dank der feinen räumlichen Auflösung im Detail bewertet werden. Die Möglichkeit auch chemische Stoffe und Feinstaub mit PALM-4U zu betrachten, bietet darüber hinaus auch das Potential PALM-4U für den Bereich der Luftqualität anzuwenden. Für die Evaluierung wurden im Vorfeld intensive Messkampagnen durchgeführt, welche mit Hilfe des in PALM-4U vorhandenen virtuellen Messmoduls in den Simulationen nachgebildet wurden. Erste Eindrücke dieser Messungen werden wir im Vortrag präsentieren. Abschließend geben wir einen Ausblick auf die aktuellen Fortschritte der Evaluierungen und gehen auf noch geplante und aktuell durchgeführte Vorhaben für die Evaluierung ein.

Vehicle-induced effects (VIE) and exhaust fumes interacting with turbulent flow has become known to be a critical factor when investigating the wind flow and the transport of pollutants in urban street canyons. Up to now, mainly the Reynolds-Averaged-Navier-Stokes (RANS) technique has been applied for CFD studies of the processes within urban street canyons; research studies using turbulence-resolving Large-Eddy Simulations (LES), however, were rather rare. As LES models explicitly resolve the dominant turbulent motions, whose knowledge is needed to fully understand the processes, the incorporation of moving objects into a turbulence-resolving model is essential for the accurate simulation of pollutant dispersion in urban environments. In this paper we outline our effort to account for VIE in the LES model PALM. For this purpose, an innovative and easy to implement method was realised to represent a common car shape within the environmental LES setup: the so-called air-block method. Its concept is based on an object (representing the vehicle) in which a fixed velocity is prescribed to the objects grid volumes that equals the driving speed of the vehicle. Control of its movement, however, is achieved via a Lagrangian particle located at its center of gravity. This approach is significantly different from conventional consideration of solid objects as obstacles, since the air-block representation assumes that frictional drag is much smaller (and can thus be neglected) than form drag. By the same token the implementation is much easier to achieve in a complex LES model such as PALM.In this talk we will outline the newly-developed simplistic method to represent driving vehicles in an LES model and show its performance based on a validation study for the turbulent wake flow and dispersion of exhaust fumes. For this purpose we employ existing wind tunnel data and comparative PALM simulations using the conventional solid-obstacle approach (Carpentieri et al. 2012, Atmospheric Environment, 62:9-25, DOI:10.1016/j.atmosenv.2012.08.019; Kastner-Klein et al. 2001, J. Wind Eng Ind Aerodyn, 89:849-861, DOI:10.1016/S0167-6105(01)00074-5).

Severe wind gusts associated with strong-wind events like winter storms are regarded as the biggest thread to aviation safety during takeoff and landing. In order to get forecasts for gust hazards during strong-wind conditions, airport operators currently still rely on empirical wind gust estimation (WGE) methods that are driven solely by mesoscale and regional numerical weather prediction (NWP) model data. These models currently have grid resolutions on the order of 1 kilometer and do not adequately resolve local topography and vegetation. This is especially problematic, as these local obstacles are a primary source of near surface turbulence. This turbulence is responsible for wind gusts, but it can also no be resolved by mesoscale and regional NWP models and has to be parameterized entirely. Consequently the empirical WGE methods completely neglect the real local obstacles around a specific airport, which leads to significant uncertainties in the wind gust hazard forecasts for airspace that is downwind from those obstacles. In case this airspace is used for takeoff and landing, airport operators have no access to reliable wind gust hazard forecasts. A more adequate and physical approach to resolving local obstacles and the turbulence they induce, is high-resolution large-eddy simulation (LES). We use the high-res LES model PALM to investigate, how wind gusts induced by local obstacles impact airspace used for takeoff and landing at the airport in Frankfurt, Germany. Moreover, we evaluate how accurate these LES results are compared to high-res wind measurements from multiple sites throughout the airport and we quantify the forecast quality of the LES approach vs. the traditional empirical WGE approach. Finally, we outline a path to apply PALM as a magnifying glass nested into mesoscale models with the goal of providing a new and improved forecasting system for gust hazards at airports. This new forecasting system can be used to improve existing empirical WGE approaches and it can be applied in an operational setting to produce new gust forecast products.

There is a strong interaction between the urban and the building energy balance. The urban climate affects the heat transfer through exterior walls, the longwave heat transfer between the building surfaces and the surroundings, the shortwave solar heat gains and the heat transport by ventilation. Considering also the internal heat gains and the heat capacity of the building structure, the energy demand for heating and cooling and the indoor thermal environment can be calculated based on the urban climate. According to the building energy concept, the energy demand results in an (anthropogenic) waste heat, this is directly transferred to the urban environment. Furthermore, the indoor temperature is re-coupled via the building envelope to the urban environment and affects indirectly the urban climate with a time shifted and damped temperature fluctuation. We developed and implemented a holistic building model for the combined calculation of indoor climate and energy demand based on an analytic solution of Fourier’s equation. The building model is integrated via an urban surface model into the urban climate model.

We present the capability of PALM 6.0, the latest version of the PALM model system, to simulate neutrally stratified urban boundary layers. The studied situation includes a real-case building setup of the HafenCity area in Hamburg, Germany. Simulation results are validated against wind-tunnel measurements of the same building layout utilizing PALM's virtual measurement module. The comparison reveals an overall very high agreement between simulation results and wind-tunnel measurements not only for mean wind speed and direction but also for turbulence statistics. However, differences between measurements and simulation arise within close vicinity of surfaces where the resolution prevents good representation of the inertial sub-range of turbulence. In the end, we give guidance how these differences can be reduced using already implemented features of PALM.

Including radiative transfer processes within the urban canopy layer into microscale urban climate models (UCMs) is essential to obtain realistic model results. These processes include the interaction of buildings and vegetation with shortwave and longwave radiation, thermal emission, and radiation reflections. They contribute differently to the radiation budget of urban surfaces. Each process requires different computational resources and physical data for the urban elements. This study investigates how much detail modellers should include to parameterise radiative transfer in microscale building resolving UCMs. To that end, we introduce a stepwise parameterization method to the the PALM model system 6.0 to quantify individually the effects of the main radiative transfer processes on the radiation budget and on the flow field. We quantify numerical simulations of both simple and realistic urban configurations to identify the radiative transfer processes which have major effects on the radiation budget, such as surface and vegetation interaction with short wave and long wave radiation, and those which have minor effects, such as multiple reflections. The study also shows that radiative transfer processes within the canopy layer implicitly affect the incoming radiation since the radiative transfer model is coupled to the radiation model. The flow field changes considerably in response to the radiative transfer processes included in the model. The study highlights those processes which are essentially needed to assure acceptable quality of the flow field. Omitting any of these processes may lead to high uncertainties in the model results.

In a world with increasing extreme weather events, such as dry or extreme rain periods, due to climate change and an ever growing population specifically in urban areas, a forsighted planning and adaption of cities and their urban surroundings is becoming more and more important. Here, particularly health and comfort of the urban population, such as thermal comfort, air quality, ventilation or UV exposure, but also other aspects like safety and environmental sustainability play an important role. In order to create the cities of tomorrow that meet the real requirements to host healthy and firendly living conditions, city planners are relying on scientific models where they can simulate how changes in the urban environment can effect its climate. The PALM-4U (Parallelised Large-Eddy Simulation Model for Urban Applications) model was specifically developed to be able to simulate a large variety of parameters on short timescales and at the high resolution that is required to resolve single buildings or obstacles like trees within the city.In September 2019, the second phase of the German research project MOSAIK (model-based city planning and application in climate change), a module within the large over-arching project [UC]² (Urban Climate Under Change) that focusses on the further development of the model, has started.In this overview, we will present the PALM-4U‘s current capabilities and outline the planned future development in the coming years like windbreak modelling, coupling with traffic flow models, including biogenic volatile organic compounds in urban air quality modelling. Furthermore, our PALM-4U community model strategy will be explained.

Large-Eddy Simulation (LES) allow to simulate pollutant dispersion at a fine-scale turbulence-resolving scale with explicitly resolved turbulent transport around building structures and in street canyons. The microscale urban climate model with atmospheric chemistry PALM-4U (i.e. PALM for Urban applications; Maronga et al., 2019, Met. Z., https://doi.org/10.1127/metz/2019/0909) has been developed within the collaborative project MOSAIK (Model-based city planning and application in climate change). With such a large-eddy simulation (LES) model, pollutant dispersion around buildings and within street canyons can be simulated, with explicitly resolving the turbulent transport in urban environments.Cyclic boundaries are frequently applied in LES in order to obtain lateral boundary conditions for the turbulent quantities. In addition to the default cyclic boundary conditions, PALM-4U allows also time-dependent boundary conditions from regional models to account for variable weather conditions and regional scale pollutant transport. Turbulent fluctuations, which are not included in the boundary conditions from the regional simulation but are needed as additional boundary conditions for the LES model are produced by a turbulence generator (Maronga et al, 2019, GMDD, https://doi.org/10.5194/gmd-2019-103).PALM-4U simulations with and without time dependent boundary conditions from regional simulations with WRF-Chem are performed for different setups in order to test the impact of the domain configuration. The simulations indicate that cyclic boundary conditions can lead to unrealistic accumulation of pollutants over urban areas with strong sources, which is not the case when time-dependent boundary conditions are applied. However, even though a turbulence generator is applied, explicit setting of time-dependent boundary conditions requires large model domains, in order to obtain fully developed turbulence within the domain of interest, increasing the computational demand of the simulation.

Urban areas are an important part of the climate system and many aspects of urban climate have a direct effect on human health and living conditions. This implies the need for a reliable tool for climatology studies that supports urban planning and development strategies. However, a realistic implementation of urban canopy processes still poses a serious challenge for weather and climate modelling for the current generation of numerical models. To address this demand, a new model of energy processes for urban environments was developed as an Urban Surface Model (USM) and integrated as a module into the large-eddy simulation (LES) model PALM. The USM contains a multi-reflection radiation model for short and long wave radiation, calculation of the energy balance on horizontal and vertical impervious surfaces, thermal diffusion in ground, wall and roof materials and anthropogenic heat from transportation. The module also models absorption of radiation by resolved plant canopy (i.e. trees, shrubs). The USM was parallelized using MPI and performance testing demonstrates that the computational costs of the USM are reasonable and the model scales well on typical cluster configurations. The module was fully integrated into PALM and is available via its online repository under GNU General Public License (GPL). The implementation was tested on a summer heat wave episode in the real conditions of a selected Prague crossroad. General patterns of temperature of various surface types (walls, pavement) are in good agreement with observations. The coupled LES-USM system appears to correct the bias found between observations and mesoscale model predictions for the near-surface air temperature. The results, however, show a strong dependence on the prescribed surface and wall material properties. Their exact knowledge is thus essential for the correct prediction of the flow in the urban canopy layer.