Advancing the Capabilities of Numerical Weather Prediction - On the Utility of Individual Tendency Output

Abstract

Parametrisering i numeriske værmodeller representerer finskalaprosesser i atmosfæren på subgridnivå. Disse atmosfæriske prosessene inkluderer turbulens, stråling og dråpeformasjon i skyer. Enhver parametrisering er en forenkling av den fysiske prosessen den representerer; følgelig leder parametrisering til usikkerhet i modellene. For å få mest mulig nøyaktige værforutsigelser med operasjonelle værmodeller, justeres parameterne i parametriseringene noen ganger slik at enkelte parameterverdier havner utenfor teoretiske grenser basert på observasjoner. Til tross for den åpenbare nytten av nøyaktige værforutsigelser, fører slik bruk av parametrisering til at numeriske værmodeller får elementer av “svart boks”- modellstruktur. Denne avhandlingen utforsker representasjonen av atmosfæriske prosesser i den operasjonelle værmodellen AROME-Arctic – utviklet av Metrologisk Institutt for arktiske områder i Europa – med søkelys på sentralitetsmål som viser de ulike bidragene fra hver parametrisering til de prognostiske variablene i modellen. Analyser av slike sentralitetsmål gjør det mulig å studere interaksjonene mellom ulike parametriseringer og synliggjøre tilpasninger i finskalaprosesser på subgridnivå.

Den første artikkelen i denne avhandlingen omhandler representasjonen av et marint kalduftsutbrudd over de nordiske hav. Studien belyser effekten av ulike typer planetære grenselag på de individuelle bidragene fra de ulike parametriseringene i modellstrukturen. Studien viser også at flere parametriseringer kompenserer hverandre. Sensitivitetsanalyser viser at denne kompensasjonen kan forhindre endringer i gridskalavariabler til tross for svært forskjellige individuelle effekter.

Den andre artikkelen i denne avhandlingen omhandler representasjonen av stabile planetære grenselag over snødekte områder. I denne artikkelen skilles det mellom svakt stabile grenselag og svært stabile greneslag. Studien viser at både svakt stabile og sterkt stabile planetære grenselag forekommer på størrelsesordenen 5 km i AROME-Arctic-modellen. Videre vises det at modellen fanger opp ulike tilbakekoplingsmekanismer assosiert med de to typene stabile grenselag. Når kjøleeffekten av overflaten i modellen økes, påvirkes parametriseringene i både svakt stabile og sterkt stabile grenselag, men endringer i gridskalavariabler observeres kun i sistnevnte. Varmetransport gjennom turbulens kompenserer i stor grad for økt kjøling fra overflaten i svakt stabile grenselag.

Den tredje artikkelen i denne avhandlingen setter søkelys på koplingen mellom overflaten og atmosfæren samt den vertikale oppløsingen i stabile planetære grenselag i AROME-Arctic-modellen, nærmere bestemt systematiske feil (bias) i både temperaturgradienten og temperaturen nær overflaten i arktiske strøk. I denne artikkelen skilles det også mellom svakt stabile og sterkt stabile grenselag. En håndheves, nøytral stratifisering i overflatelag under operasjonell værvarsling fører til kontinuerlig kopling mellom det laveste modellaget og overflaten. Ved å tillate et stabilt stratifisert overflatelag, kan overflaten frakoples atmosfæren under sterkt stabile grenselag. Dette fører til kaldere overflatetemperaturer, men varmere atmosfæriske temperaturer og svakere temperaturgradienter. Denne prosessen likner en positiv tilbakemelding ("runaway cooling"). Ved å øke den vertikale oppløsningen, øker også temperaturgradientene, mens overflatetemperaturen forblir tilnærmet slik som ved et tilsvarende dypt lag tilkoplet overflaten.

Parameterisation schemes in numerical weather prediction (NWP) models represent the effects of subgrid-scale processes on the resolved grid. These processes include turbulence, radiation, or droplet formation in clouds. Every parameterisation scheme describes a simplified version of the represented natural process and thereby introduces uncertainty into our models. Driven by the need to provide the most accurate prediction, operational weather centres often adjust parameters associated with parameterisation schemes, sometimes putting them outside the limits implied by theory or observations. Despite the unquestionable success of weather forecasts, this procedure hampers model development and creates the impression of a black box. This thesis explores and disentangles the physical representation of atmospheric processes in the operational NWP model AROME-Arctic, employed by the Norwegian Meteorological Institute for the European Arctic. The central diagnostic of this thesis is the individual tendency output, which provides the contributions of every parameterisation scheme to the prognostic model variables throughout the model integration. The analysis of this output allows to decipher the interplay between different parameterisation schemes and to study the subgrid-scale adaption of the model to changes in the model formulations.

The first paper studies the representation of a marine cold-air outbreak over the Nordic seas. The study reveals the importance of model-internal boundary-layer types for the individual contributions and interplay of different parameterisation schemes. Furthermore, the study demonstrates a pronounced compensation between the individual tendencies from several parameterisations. Sensitivity experiments, including an increase and decrease of parameterised shallow convection, show that this compensation adapts to altered model formulations and can yield unchanged grid scale variables, despite differences in individual tendencies by up to an order of magnitude.

The second paper investigates the representation of the stable boundary layer over snow-covered surfaces. Hereby, the analysis differentiates between two stability regimes: the weakly-stable boundary layer (wSBL) and the very-stable boundary layer (vSBL). The study reveals that both stability regimes occur on small spatial scales of about 5 km in AROME-Arctic. Furthermore, the model captures the different feedback mechanisms between enhanced stratification and turbulent mixing associated with the two regimes. A sophisticated update to the surface scheme, which allows for faster surface cooling, strongly impacts parameterised processes but only changes grid-scale temperatures in the vSBL. In the wSBL, the efficient heat transport by turbulence compensates the enhanced cooling at the surface.

The third paper probes the role of surface-atmosphere coupling and vertical resolution for the representation of the stable boundary layer in AROME-Arctic. The focus is on the long-standing issues of the near-surface warm bias and weak temperature gradients in Arctic forecast products. Again, the study differentiates between the wSBL and vSBL. Operationally, the model enforces neutral stratification in the surface layer, leading to a continuous coupling between the lowermost model level and the surface. By allowing for a stably stratified surface layer, the surface can decouple from the atmosphere in the vSBL. This decoupling results in colder surface temperatures but warmer atmospheric temperatures and weaker temperature gradients and resembles a runaway cooling effect. Increasing the vertical resolution results in steeper temperature gradients but nearly unchanged surface temperatures as a similarly deep layer remains coupled to the surface.