[논문 리뷰] Evaluation of different WRF microphysics schemes: severe rainfall over Egypt case study

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

Meteorological Phenomena and Simulations참고 문헌 23인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 이집트에서 발생한 폭우 강우 사건(2016년 10월 26일–28일)을 시뮬레이션하기 위해 10km 해상도 도메인을 사용하여 10개의 WRF 미세물리 스케마를 평가한다. 결과적으로 모든 스케마에서 모델이 강우량을 과대평가하고 기온을 과소평가하는 경향을 보였으며, Thompson 및 Morrison 双중모멘트 스케마가 공간 패턴과 강도를 가장 잘 재현하였다.

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

연구 동기 및 목표

• 이집트 지역에서 발생한 폭우 강우 사건을 시뮬레이션하는 데 있어 10종의 다른 WRF 미세물리 스케마의 성능을 평가하기 위해.
• 2016년 10월 26일–28일 폭풍 동안 관측된 강우량, 기온, 기압, 풍속을 재현할 수 있는 모델의 능력을 평가하기 위해.
• 검증을 위해 위성 데이터(MODIS: 기온, TRMM: 강우량)와 모델 출력을 비교하기 위해.
• 이집트와 같이 갈라진 지역과 준갈라린 지역에서 극단적인 강우를 시뮬레이션하기에 가장 정확한 미세물리 스케마를 특정하기 위해.
• 선택된 해안 및 내륙 지역에서 강우량과 기온의 공간적·시간적 변동성을 분석하기 위해.

제안 방법

• 10km 수평 해상도의 단일 도메인을 사용하여 기상연구예보모델(WRF)을 활용하였다.
• 10종의 다른 미세물리 스케마를 설정: Kessler, Lin, WRF 싱글모멘트 3/5/6클래스, Eta (Ferrier), Goddard, Thompson, Milbrandt-Yau, 그리고 Morrison 이중모멘트.
• 초기 및 경계 조건으로 글로벌 예보 시스템(GFS) 재분석 자료를 사용하였다.
• 2016년 10월 26일–28일 기간 동안 MODIS(기온) 및 TRMM(강우량) 위성 관측 자료와 모델 출력을 비교하여 검증하였다.
• 세 개의 선택된 지역(Ras Gharib, Wadi Elgemal 국립공원, Elba 국립공원)에서 공간적·시간적 비교를 수행하였다.
• 위성 자료와의 강우량 및 기온 편향에 대한 통계적 평가를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2016년 10월 26일–28일 이집트에서 발생한 폭우 강우 사건을 가장 정확하게 재현하는 WRF 미세물리 스케마는 무엇인가?
• RQ2 다른 미세물리 스케마는 해안 및 내륙 지역에서 강우 강도와 공간 분포를 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 WRF 모델은 TRMM 및 MODIS 관측치와 비교해 강우량과 기온을 어느 정도 과대평가하거나 과소평가하는가?
• RQ4 이슬람 기후에서 극단적인 강우를 시뮬레이션할 때, 이중모멘트 스케마(예: Thompson, Morrison)는 싱글모멘트 및 블록 스케마보다 어떻게 비교되는가?
• RQ5 상부 이집트 및 레드시아 해안 지역의 선택된 연구 지역에서 모델 성능의 공간 일관성은 어떠한가?

주요 결과

• WRF 모델은 이집트 전역에서 구름 시스템의 공간 패턴과 폭풍 시스템의 일반적인 진화를 성공적으로 재현하였다.
• 모든 10종의 미세물리 스케마가 TRMM 자료와 비교해 총 누적 강우량을 과대평가하였으며, Kessler 및 Lin 스케마에서 가장 높은 편향이 관찰되었다.
• 모든 스케마에서 MODIS 관측치와 비교해 지표 근처 기온을 일관되게 과소평가하여 전반적으로 냉각 편향이 나타났다.
• Thompson 및 Morrison 이중모멘트 미세물리 스케마가 Ras Gharib 및 Wadi Elgemal 지역에서 관측된 강우 패턴과 강도와 가장 잘 일치하였다.
• Eta (Ferrier) 및 WRF 싱글모멘트 6클래스 스케마도 상대적으로 양호한 성능을 보였지만, 강우량 총량에 대해 중간 정도의 과대평가가 있었다.
• Milbrandt-Yau 이중모멘트 스케마는 수직 수체 입자 프로파일을 가장 현실적으로 재현하였지만, 해안 지역에서는 여전히 표면 강우량을 과대평가하였다.