Implementation of an innovative methodology for the evaluation and optimization of the WRF model for the study of convective activity in Thessaly

Abstract

The present PhD dissertation investigated the capability of a state of the art numerical prediction model to represent convective activity in the region of Thessaly, Central Greece. The mesoscale meteorological model Weather Research and Forecasting (WRF), was tested in order to discover the optimal configuration able to simulate convective events. An ensemble of twelve different model configurations was put under test, simulating days with high convective activity. The impact of microphysics (MP), cumulus convection (CU) and planetary boundary layer (PBL) schemes was investigated and the best performing combination was chosen. Three MP schemes (Ferrier, WRF single-moment 6-classes, and Goddard), two CU schemes (Kain Fritch and Betts-Miller-Janjić) and two PBL (Yonsei University and Mellor-Yamada- Janjić) were tested. In the first stage, results of the simulations for seven individual cases were statistically evaluated against surface observations and radar data using classic statistical methods. The best performing setup was chosen and further evaluated in the second stage by widening the experimental sample. Thirty six more cases were selected and classified according to the prevailing synoptic conditions. Statistics were obtained for every synoptic type assuring that the selected setup performs adequately in every case. The final stage involved the application of a novel statistical method for the evaluation of the original ensemble of simulations. The new method belongs to the spatial methods, that do not perform a point to point evaluation, but they rather try to distinguish similarities between the observed and forecast fields. The particular method employed, Method for Object Based Diagnostic Evaluation (MODE), uses objects, discrete entities inside the field, and examines their characteristics. The similarity of the characteristics between the observed and forecast objects, as expressed by the appropriate metrics, provides the performance of the model. In the present study the field of reflectivity was used to derive the objects. The result of this novel method confirmed that the model setup, selected primarily using classic statistical methods has the best performance according to the new method too. This way the WRF-ARW model, with this configuration, can be a useful tool in every situation where a high convective event should be studied employing a numerical weather prediction model.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερεύνησε την ικανότητα ενός αριθμητικού μοντέλου πρόγνωσης καιρού στην αναπαράσταση καταιγιδοφόρων δραστηριοτήτων στην περιοχή της Θεσσαλίας. Το μετεωρολογικό μοντέλο μέσης κλίμακας WRF, δοκιμάστηκε προκειμένου να βρεθεί η βέλτιστη διαμόρφωση ικανή να προσομοιώνει την καταιγιδοφόρο δραστηριότητα. Ένα σύνολο δώδεκα διαφορετικών διαμορφώσεων του μοντέλου τέθηκε υπό δοκιμή, προσομοιώντας ημέρες με υψηλή καταιγιδοφόρο δραστηριότητα. Εξετάστηκε η επίδραση των σχημάτων μικροφυσικής (MP), ανωμεταφοράς (CU) και πλανητικού οριακού στρώματος (PBL) και επιλέχθηκε ο συνδυασμός με τις καλύτερες επιδόσεις. Χρησιμοποιήθηκαν τρία σχήματα μικροφυσικής (Ferrier, WSM6 και Goddard), δύο σχήματα ανωμεταφοράς (Kain Fritch και Betts-Miller-Janjic) και δύο σχήματα οριακού στρώματος (Yonsei University και Mellor-Yamada-Jancic). Στο πρώτο στάδιο, τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων αξιολογήθηκαν στατιστικά για επτά μεμονωμένες περιπτώσεις χρησιμοποιώντας παρατηρήσεις επιφάνειας και δεδομένα ραντάρ με τη χρήση κλασικών στατιστικών μεθόδων. Ο συνδυασμός με τις καλύτερες επιδόσεις επιλέχθηκε και αξιολογήθηκε περαιτέρω στο δεύτερο στάδιο διευρύνοντας το πειραματικό δείγμα. Προστέθηκαν τριάντα έξι περισσότερες περιπτώσεις και ταξινομήθηκαν σύμφωνα με τις επικρατούσες συνοπτικές συνθήκες. Λαμβάνοντας στατιστικά για κάθε συνοπτικό τύπο διασφαλίστηκε ότι ο επιλεγμένος συνδυασμός παράγει ικανοποιητικά αποτελέσματα σε κάθε περίπτωση. Το τελευταίο στάδιο αφορούσε την εφαρμογή μιας νέας στατιστικής μεθόδου για την αξιολόγηση του αρχικού συνόλου προσομοιώσεων. Η νέα μέθοδος ανήκει στις χωρικές μεθόδους, οι οποίες δεν εκτελούν αξιολόγηση σημείο προς σημείο, αλλά προσπαθούν να διακρίνουν τις ομοιότητες μεταξύ των παρατηρούμενων και των προσομοιωμένων πεδίων. Η συγκεκριμένη μέθοδος που χρησιμοποιείται, η Μέθοδος για τη Διαγνωστική Αξιολόγηση Βάσει Αντικειμένων (MODE), χρησιμοποιεί αντικείμενα, διακριτές οντότητες μέσα στο πεδίο, και εξετάζει τα χαρακτηριστικά τους. Η ομοιότητα μεταξύ των παρατηρούμενων και των προσομοιωμένων αντικειμένων, όπως αυτή εκφράζεται χρησιμοποιώντας τις κατάλληλες μετρικές, χαρακτηρίζει την απόδοση του μοντέλου. Στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιήθηκε το πεδίο της ανακλαστικότητας για την εξαγωγή των αντικειμένων. Το αποτέλεσμα αυτής της νέας μεθόδου επιβεβαίωσε ότι η διαμόρφωση του μοντέλου, που επιλέχθηκε αρχικά με κλασσικές στατιστικές μεθόδους, έχει την καλύτερη απόδοση και σύμφωνα με τη νέα μέθοδο. Με αυτό τον τρόπο το μοντέλο WRF-ARW, με τη συγκεκριμένη διαμόρφωση μπορεί να είναι ένα χρήσιμο εργαλείο στη μελέτη καταιγιδοφόρου δραστηριότητας στην περιοχή της Θεσσαλίας.