[論文レビュー] Evaluation of different WRF microphysics schemes: severe rainfall over Egypt case study

Muhammed Eltahan, Mohammed Magooda|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2017

Meteorological Phenomena and Simulations参考文献 23被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、2016年10月26日〜28日にかけてのエジプトにおける激しい降雨現象をシミュレートするために、10km解像度の領域を用いて10種類のWRF微物理スキームの評価が行われた。結果として、全スキームにおいてモデルは一般的に降水量を過大評価し、気温を低く評価しているが、ThompsonおよびMorrisonの二重モーメントスキームが空間パターンと強度の両面で最も良好な結果を示した。

ABSTRACT

Egypt faced heavy rainfall starting from 26th October 2016 which caused flooding in Upper Egypt and Red Sea Coast especially the city of Ras Gharib. In this work, Weather Research and Forecasting (WRF) model was used with one domain of 10-km resolution for three days starting from 26th October 2016 to simulate this severe rainy event in terms of precipitation, temperature, pressure and wind speed. In order to use the WRF model several schemes should be configured, one of them is the microphysics scheme. Microphysics is the process by which moisture is removed from the air, based on other thermodynamic and kinematic fields represented within the numerical models. Sensitivity of ten microphysics schemes were tested (Kessler, Lin, WRF single moment 3 and 5 class, Eta (Ferrier), WRF single Scheme 6 Class, Goddard, Thompson, Milbrandt-Yau Double Moment and Morrison double moment). The output temperature and precipitation from the model were compared to the satellite data obtained from Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) and Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM), respectively. Our analysis showed that the model has the capability to simulate the rainy event spatially and produce the cloud pattern. Three coastal areas were chosen for this study, the city of Ras Gharib, Wadi Elgemal National park, and Elba National park. The results showed that the model generally tends to overestimate the precipitation for all the ten schemes and underestimated temperature compared to TRMM and MODIS data respectively

研究の動機と目的

• エジプトにおける激しい降雨現象のシミュレーションにおいて、10種類の異なるWRF微物理スキームの性能を評価すること。
• 2016年10月26日〜28日の嵐期における観測された降水量、気温、気圧、風速を再現できるモデルの能力を評価すること。
• 衛星データ（MODIS：気温、TRMM：降水量）と比較してモデル出力を検証すること。
• アラブ半島やエジプトのような乾燥および半乾燥地域における極端な降雨をシミュレートするのに最も正確な微物理スキームを特定すること。
• 選択された沿岸部および内陸部の地点における降水量および気温の空間的・時間的変動を分析すること。

提案手法

• 10kmの水平解像度を持つ単一ドメインを用いて、ウェザーリサーチ・フォレキャスティング（WRF）モデルを適用した。
• 10種類の異なる微物理スキームを設定：Kessler、Lin、WRFシングルモーメント3/5/6クラス、Eta（Ferrier）、Goddard、Thompson、Milbrandt-Yau、Morrison二重モーメント。
• 初期および境界条件として、グローバル予報システム（GFS）再解析データを使用した。
• 2016年10月26日〜28日の期間、MODIS（気温）およびTRMM（降水量）の衛星観測データと比較してモデル出力を検証した。
• ラス・ガリーブ、ワディ・エルジェマル国立公園、エレバ国立公園という3つの選択地域における空間的・時間的比較を実施した。
• 衛星データとの相関をとった降水量および気温のバイアスに関する統計的評価を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2016年10月26日〜28日のエジプトにおける激しい降雨現象を最も正確に再現できるWRF微物理スキームはどれか？
• RQ2 異なる微物理スキームは、沿岸部および内陸部における降水量の強度および空間的分布にどのように影響を与えるか？
• RQ3 WRFモデルはTRMMおよびMODIS観測と比較して、降水量および気温をどの程度過大または過小に評価しているか？
• RQ4 二重モーメントスキーム（例：Thompson、Morrison）は、単一モーメントおよびバルクスキームと比較して、乾燥気候における極端な降雨をどの程度正確にシミュレートできるか？
• RQ5 上エジプトおよび紅海沿岸地域の選択された研究地点において、モデルの性能の空間的一致性はどの程度か？

主な発見

• WRFモデルは、雲システムの空間的パターンおよびエジプトにおける嵐システムの一般的な発展を成功裏に再現した。
• 全10種類の微物理スキームがTRMMデータと比較して、累積降水量を過大評価しており、特にKesslerおよびLinスキームで最大のバイアスが観察された。
• MODIS観測と比較して、モデルは一貫して地表面付近の気温を低く評価しており、全スキームにわたって冷却バイアスが確認された。
• ThompsonおよびMorrisonの二重モーメント微物理スキームが、特にラス・ガリーブおよびワディ・エルジェマル地域で観測された降水量パターンと強度と最もよく一致した。
• Eta（Ferrier）およびWRFシングルモーメント6クラススキームも相対的に良好な性能を示したが、降水量の合計にやや過大評価が見られた。
• Milbrandt-Yau二重モーメントスキームは、降水粒子の垂直プロファイルが最も現実的であったが、沿岸部では表面降水量を依然として過大評価していた。