Analysis and improvement of forecasts of cyclogenesis in the northern Mediterranean Sea with WRF

Autor: Lehner, Fabian
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2016
DOI: 10.25365/thesis.42002
Popis: Eine genaue Vorhersage von Zyklonen im Mittelmeer ist von außerordentlich wichtiger Bedeutung für eine zufriedenstellende Wetterprognose in Mitteleuropa. Insbesondere sind Vb Tiefs oft mitverantwortlich für heftige Niederschläge. Daher ist eine bessere Vorhersage nicht nur von wissenschaftlichem, sondern auch von öffentlichem Interesse. In dieser Arbeit werden 14 Fälle von Zyklogenesen im nördlichen Mittelmeerraum zwischen 2013 und 2015 untersucht, einige davon sind Vb Tiefs. Vier verschiedene Konfigurationen des frei verfügbaren numerischen Prognosemodells WRF wurden gerechnet, wobei die Topografie (EZMWF, 4km und 1.33km Topografie), die horizontale Auflösung (4km und 1.33km) und die Initialisierung auf den vertikalen Levels des Globalmodells von EZMWF (entweder auf 25 Drucklevels oder auf 137 Hybridlevels) geändert wurden. Die Ergebnisse werden in Bezug auf den Bias, den RMSE und auf die SAL-Methode, eine objekt-basierte Verifikationsmethode für Niederschlag, untersucht. Die Quellen für die Verifikation stammen aus Radiosonden, Wetterstationen am Boden oder von Regenradaren. Zwei der 14 Fälle werden genauer untersucht. Der Erste der beiden Fälle zwischen dem 04.02.2015 und dem 07.02.2015 weist eine Verschiebung der Druck- und Niederschlagsmuster nach Norden auf. Dieser Fehler wird aber durch eine realistischere Topografie oder durch eine höhere Auflösung reduziert. Besonders markant ist dieser Fehler am Nordrand der Niederschlagsfelder, wie z.B. in diesem Fall in Wien. Zwischen den Niederschlagsmengen der verschiedenen WRF Konfigurationen liegt ein Faktor von 5 oder 6. Im zweiten Fall zwischen dem 31.08.2014 und dem 03.09.2014 sind die Druckmuster ebenfalls nach Norden verschoben, zum Teil gilt das auch wieder für den Niederschlag. Insgesamt kann man feststellen, dass der Unterschied zwischen der Initialisierung auf den EZMWF Drucklevels und den Hybridlevels sehr gering ausfällt. Wesentlich größer hingegen ist der Unterschied von der Modellkonfiguration mit der 4km Topografie zur glatteren EZWMF Topografie. Mit der genesteten Domain in den Alpen können viele Fehlermaße noch etwas weiter verringert werden, auch wenn das mit der dreifachen Rechenkapazität teuer erkauft wird. Es ist leider ziemlich unbefriedigend, dass sogar die WRF Konfiguration, die am besten abschneidet, noch immer nicht besser ist als das EZMWF Modell. Bezüglich einiger wiederholt auftretender Fehler, wie einem negativen MSLP-Bias oder einem warmen Temperatur-Bias in der höchsten Auflösung, besteht noch Bedarf an genauerer Untersuchung in zukünftigen Arbeiten.
An accurate forecast of Mediterranean cyclones is exceptionally important for a satisfying weather forecast in Central Europe. In particular, Vb lows are often responsible for heavy precipitation. Therefore, a better forecast is of public interest. In this thesis, 14 cases of cyclogenesis in the Northern Mediterranean Sea between the years 2013 and 2015 are investigated, some of them feature a Vb low. Four different configurations with the numerical model WRF were run, where the topography (ECMWF, 4km and 1.33km topography), the horizontal resolution (4km and 1.33km) and the initialization on the vertical levels of the global model of ECMWF (on either 25 pressure or 137 hybrid levels) were changed. The results are discussed regarding bias, RMSE and the SAL-method, an object-based verification method for precipitation. The verification sources include radio soundings, in-situ weather stations on the ground and weather radar. A closer look on two cases is taken. One case between 2015-02-04 and 2015-02-07 shows that the pressure and precipitation fields are shifted to the north. However, a more realistic topography and higher model resolution can reduce this error. This makes a huge difference at the northern edges of the precipitation fields, e.g. in Vienna. The accumulated precipitation differs up to a factor of 5 or 6. Another case between 2014-08-31 and 2014-09-03 shows a similar northward shift of pressure isolines and partly also of precipitation fields. Overall, it can be stated, that there is not much difference between the initialization on ECMWF hybrid or pressure levels. Major improvement can be achieved when running the model with a 4km topography instead of using the much smoother ECMWF topography. If one uses the nested domain over the Alps with a resolution of 1.33km, some errors can be reduced even more. However, this last model configuration comes with three times the computational costs. It is rather unsatisfying that even the best WRF run with the nested topography in the Alps is - at best - as accurate as the ECMWF forecast. Some repeatedly occuring errors, such as a negative MSLP bias in general and a warm temperature bias in the higher resolutions, need further investigation.
Databáze: OpenAIRE
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