Verification of the Lightning Potential Index (LPI) in the COSMO-D2 ensemble prediction system

Autor: Salmi, Michele
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2023
DOI: 10.25365/thesis.73060
Popis: Das COSMO-D2 EPS ist das operationelle, kilometerskalige Ensemble Vorhersage System (L-EPS) des Deutschen Wetterdienstes (DWD) und hat eine horizontale Auflösung von etwa 2.2 km. Dieser Gitterpunktabstand erlaubt es, großräumige, hochreichende konvektive Prozesse wie Gewitter oder kräftige Schauer explizit und ohne physikalische Parametrisierung zu modellieren. Spezielle Indizes, die sowohl die Mikrophysik der Wolken als auch die für den Auftrieb vorhandene Energie einbeziehen - wie z. B. der Lightning Potential Index (LPI) - wurden ebenfalls entwickelt, um die Vorhersage hochreichender Konvektion und damit auch der Blitzaktivität auf eine neue Ebene der räumlichen Genauigkeit zu bringen. Mit solch hochaufgelösten Vorhersagen geht jedoch auch ein höheres Fehlerpotential einher, zumindest bei der Gitterpunktverifikation. Die Verwendung eines sehr hochaufgelösten Gitters in einem Ensemble-Vorhersagesystem könnte jedoch enorme Vorteile in Bezug auf Genauigkeit und Vorhersagbarkeit bringen. Der erste Teil dieser Arbeit ist der Analyse der beiden verwendeten Datensätze gewidmet (der LPI aus dem COSMO-D2 EPS und die beobachteten Blitze aus dem LINET-Blitzortungssystem). Eine erste Verifikation mit Hilfe des Symmetric Extremal Dependence Index (SEDI) wurde ebenfalls durchgeführt. Im zweiten Teil wurden innovative Verifikationsansätze wie der Dispersion Fractions Skill Score (dFSS) und der Ensemble-SAL (eSAL) auf den LPI im COSMO-D2 EPS angewendet. Das Hauptziel dieses zweiten Teils ist es, die Beziehung zwischen dem Prognosefehler und dem Ensemble-Spread auf verschiedenen räumlichen Skalen zu bewerten. Für die Sommermonate 2019 zeigt das COSMO-D2 EPS eine allgemeine Tendenz zur Überschätzung der Vorhersagbarkeit der Blitzaktivität. Die Spread-Error Beziehung für verschiedene Vorhersagezeiten variiert aber stark. Mit Hilfe des dFSS kann man zudem untersuchen, wie sich diese Beziehung für sich ändernde räumliche Skalen entwickelt. Im Durchschnitt liefert das System in den Nachmittagsstunden eine brauchbare Blitz-Vorhersage für horizontale Skalen von etwa 200 km. Anhand der Analyse der Ensemble-Streuung kann man aber zeigen, dass das System im Schnitt schon bei rund 100 km die Prognose als "brauchbar" bewerten würde.
The COSMO-D2 EPS is the very high resolution, limited-area ensemble prediction system (L-EPS) maintained at the German Weather Service (DWD) and has an horizontal resolution of 2.2 km. At such spatial scales, which lie at the lower end of the mesoscale, deep convection does not need to be parametrized and can instead be resolved directly in the model. At the same time, the development of innovative parameters which combine synoptic scale forcings and intra-cloud physics, like the Lightning Potential Index (LPI), significantly increased the potential accuracy when forecasting heavy showers and thunderstorms. However, such improvements in spatial resolution and modeling also need a proper verification approach in order to put into perspective grid-point related issues such as the double-penalty effect. The probabilistic approach of an EPS applied to high resolution models could nonetheless help increasing the accuracy and the predictability also in case of very localized convective phenomena. The first part of this work is dedicated to the analysis of the two datasets used (the LPI from the COSMO-D2 EPS and the observed lightning activity from the LINET observation network). A preliminary verification based on a conventional measure such as the Symmetric Extremal Dependence Index (SEDI) has also been conducted. In the second part, fuzzy and object based verification methods such as the dispersion Fractions Skill Score (dFSS) and the ensemble-SAL (eSAL) has been used to analyze the COSMO-D2 EPS forecasts of the LPI. This second part is focused on better understanding the spread-errpr relationship in the model, thus investigating possible positive effects on the predictability of convection. In general, the COSMO-D2 EPS tends to generate too little dispersion in its members if compared to the actual model error. Specifically, the ensemble mean generates useful lightning activity forecasts at a spatial scale of around 200 km for the afternoon hours, while the spatial spread of the ensemble members lies at more or less 100 km.
Databáze: OpenAIRE
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