[论文解读] 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 8

一句话总结

本研究使用10公里分辨率的区域模型，评估了十种WRF微物理方案在模拟2016年10月26日至28日埃及一次强降雨事件中的表现。结果表明，所有方案普遍高估了降水量，同时低估了气温，其中Thompson和Morrison双参数化方案在捕捉空间分布和强度方面表现最佳。

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

研究动机与目标

• 评估十种不同的WRF微物理方案在模拟埃及地区一次强降雨事件中的表现。
• 评估模型在2016年10月26日至28日风暴期间再现观测降水量、气温、气压和风速的能力。
• 将模型输出与MODIS（气温）和TRMM（降水量）的卫星数据进行对比，以验证结果。
• 识别在类似埃及的干旱和半干旱地区模拟极端降雨事件时最准确的微物理方案。
• 分析选定沿海和内陆地区降水量与气温的时空变化特征。

提出的方法

• 采用10公里水平分辨率的单域设置，使用天气研究与预报（WRF）模型。
• 配置了十种不同的微物理方案：Kessler、Lin、WRF单参数化3/5/6类、Eta（Ferrier）、Goddard、Thompson、Milbrandt-Yau以及Morrison双参数化方案。
• 初始和边界条件采用全球预报系统（GFS）再分析数据。
• 基于2016年10月26日至28日期间的卫星观测数据，对模型输出进行验证，其中MODIS用于气温，TRMM用于降水量。
• 在三个选定区域（Ras Gharib、Wadi Elgemal国家公园和Elba国家公园）进行空间与时间上的对比分析。
• 对模型输出的降水量和气温偏差进行统计评估，以对比卫星数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪种WRF微物理方案能最准确地再现2016年10月26日至28日埃及的强降雨事件？
• RQ2 不同微物理方案如何影响沿海与内陆地区降水量强度与空间分布的模拟结果？
• RQ3 与TRMM和MODIS观测相比，WRF模型在多大程度上高估或低估了降水量与气温？
• RQ4 在干旱气候条件下，双参数化方案（如Thompson、Morrison）与单参数化及批量方案相比，在模拟极端降雨事件时表现如何？
• RQ5 在上埃及和红海海岸选定研究区域中，模型性能的空间一致性如何？

主要发现

• WRF模型成功再现了云系统在埃及上空的空间分布以及风暴系统的一般演变过程。
• 所有十种微物理方案均高估了总累积降水量，与TRMM数据相比，Kessler和Lin方案的偏差最大。
• 与MODIS观测相比，模型在所有方案中均持续低估近地面气温，表明存在系统性冷却偏差。
• Thompson和Morrison双参数化微物理方案在Ras Gharib和Wadi Elgemal地区与观测的降水量分布和强度最为一致。
• Eta（Ferrier）和WRF单参数化6类方案也表现相对良好，但存在中等程度的降雨总量高估。
• Milbrandt-Yau双参数化方案生成了最合理的水成物垂直分布，尽管在沿海地区仍高估了地表降水量。