Performance of wrf in simulating the hail event over İstanbul on 27 July 2017

Abstract

Dolu gelişimi oldukça bölgesel ve kısa zamanlı bir olay olduğundan dolu yağışı en zor tahmin edilebilen meteorolojik hadiselerdendir. Uzaktan algılama teknolojileri ve kısa süreli tahmin çalışmaları ile takibinin yapılması mümkün olabilmektedir. Yapılan çalışmalarda bilgisayarların artan işlem gücü kapasitesi ve geliştirilen hava tahmin modelleri kullanılmakta, model çıktıları ile gözlemler karşılaştırılarak tahmin yöntemlerinin verimliliği analiz edilmektedir. Meydana gelen hadiseye ve olayın yaşandığı coğrafi bölgeye göre model içerisinde yer alan fizik seçenekleri arasında farklı parametrizasyon kombinasyonları kullanarak meteorolojik hadisenin gerçeğe yakın bir biçimde öngörülebilmesi için benzetimler gerçekleştirilmektedir. Dolu, dikine gelişimli bulut içerisinde yükselici hava hareketleri sonucu yağışa geçmek isteyen nemli hava içerisinde bulunan damlaların yukarı seviyelere taşınarak sıcaklığı 0°C ile -40°C arasında olan katmanlarda tekrar tekrar donması ve büyümesinin ardından düşüşe geçip buz kütleleri olarak yağışı gerçekleştirmesi olayıdır. 27 Temmuz 2018 tarihinde İstanbul meydana gelen dolu yağışı oldukça şiddetli bir hadise şeklinde yaşanmış, yüzlerce yapı ve binlerce araç zarar görmüştür. İlk olarak saat 12:00 UTC civarında Trakya bölgesinden yurda giriş yapmış, saat 15:00 UTC sıralarında şehrin farklı noktalarında yağmur ve fırtına ile birlikte etkili olmuş ve bu hava olaylarının sonucunda toplamda 30-40 kg yağış kaydedilmiştir. Kuzey Yarım Kürede orta ve yukarı enlemlerde meydana gelen jetlerin kuvvetlenmesi ve Avrupa üzerinde güçlenen basınç sistemleri sonucunda Trakya bölgesini kapsayan bir alanda yükselici hava hareketleri sonucu dikine gelişimli bulutlar oluşmuş ve bu sistem bir süre bölgede etkili olmuştur. Çalışma alanı olarak dolu yağışının merkezinin oluştuğu ve ilerlediği alanı içeri alacak şekilde bir bölge belirlenmiştir ve bölgenin merkezinde İstanbul konumlandırılmıştır. Alan bilgileri, başlangıç ve sınır koşulları, veriler ile birlikte modele tanıtılıp dolu benzetimleri yapılmıştır. Çalışmada kullanılan WRF atmosfer modeli içerisinde hem yüzeyi hem de atmosferi çözüp birleştiren bir mimariye sahiptir. Yüksek çözünürlüklü veriyi kullanıcının belirlediği fiziksel seçeneklere göre sayısal yöntemlerle hızlıca çözebilmektedir. WRF modelini çalıştırmadan önce iç içe yuvalanmış 4 alan belirlenmiştir. Balkanları ve Türkiye'nin bir kısmını içeren en dış alan 27 km, Marmara Bölgesi'ni ve Trakya'yı kapsayan ikinci alan 9 km, Marmara Bölgesi'nin bir kısmını kapsayan üçüncü alan 3 km ve İstanbul'u içeren dördüncü alan 1 km yatay çözünürlüktedir. Belirlenen dört alan için alınan çıktıların zamansal çözünürlükleri en içeride yuvalanan alan için 15 dakika, dış alanlar için 180 dakikadır. Hadisenin öngörülebilmesi için yapılan simülasyonlarda dolu yağışının oluşumunu ve dikey gelişimli bulutları çözebilen fizik seçenekleri araştırılmıştır. Mikrofizik için Lin, Milbrant 2-mom ve NSSL 2-mom seçenekleri, kümülüs için Kain-Fritsch, New SAS, Multi Scale KF, KF-CuP ve New Tiedtke seçenekleri, sınır tabaka için YSU ve MYNN2 seçenekleri, kısa dalga radyasyon için Dudhia ve RRTMG seçenekleri, uzun dalga boylu radyasyon için ise RRTM ve RRTMG seçenekleri belirlenmiştir. Her yeni simülasyon için bu parametreler değiştirilerek kombinasyonlar halinde denenmiştir. Model, meteorolojik koşulların gerçekçi biçimde kurgulayabilmesi için başlangıç saati 26 Temmuz 2017 günü saat 18 UTC olarak belirlenip 30 saat boyunca koşturulmuş ve sonuçlar irdelenirken ilk 6 saat modelin dengeye gelebilmesi için spin-up zamanı olarak kabul edilip 24 saat olarak değerlendirilmiştir. Modelde kullanılmak üzere 0.75°x0.75°alansal ve 6 saat zamansal çözünürlüğe sahip, 38 farklı basınç seviyesi için oluşturulan ERA-Interim Yeniden Analiz verisi tercih edilmiştir. Model sonuçları ile karşılaştırmak üzere Meteoroloji Genel Müdürlüğü'nden dolu olayının yaşandığı tarihlere ait fevk verisi, uydu-radar gözlem verisi, İstanbul'da bulunan meteoroloji istasyonlarından sağlanan ölçüm verileri alınmıştır. Farklı parametrizasyon kombinasyonları ile yapılan benzetim çıktılarına göre model olay saatine, şiddetine ve merkezine yakın sonuçlar üretmiştir. Model çıktıları ve gözlem verileri bulut tepe sıcaklığı, nemlilik, toplam yağış, dikey hava hareketleri ve yansıma gibi dolu hadisesinin anlaşılmasında önemli rol oynayan hava olaylarının zamanla değişimi karşılaştırılmıştır. Çalışmada şimdiye kadar üretilen en iyi sonuçlardan birini veren kombinasyon NSSL-2-moment mikrofizik seçeneği, Multi-Scale Kain-Fritsch kümülüs seçeneği ve MYNN2 yüzey sınır tabaka seçeneğinin birlikte kullanıldığı parametrizasyon olduğu görülmüştür. Bu seçenekler ile çalıştırılan model çıktısının sonuçları zaman serisi şeklinde, noktasal olarak ve kesit alınalarak ayrıntılı şekilde analiz edilmiştir. Buna göre 27 Temmuz 2017 14:15 UTC zamanında bulut tepesi sıcaklığının -50°C, bulut tepesinin yüksekliğinin 12km olduğu görülmüştür. Model sonuçları maksimum dolu miktarını 500mb basınç seviyesinde 400/kg olarak vermiştir. Dolu olayı 50dBZ yansıtıcılık değeri bulunduğu esnada meydana gelmiştir.

Hail development is a very regional and short-term consequence. Therefore, hail is one of the most difficult predictable meteorological event. Nowadays, it is possible to predict it with remote sensing and short-term forecasting tools. After the increase of the computing capacity of the computers, in the studies, high-performance computers and improved weather forecasting models are used, and the efficiency of weather forecast methods is analyzed by comparing observations with model outputs. Physics options in the model are modified according to facts and characteristics of the event and the simulations are run in order to predict the meteorological phenomenon close to real weather event using different parametrization.The water droplets in the deep convective clouds are transported to the higher levels by means of ascending and descending air movements. Water droplets cool down at these higher levels and become ice particles. As a result of the repetition of the vertical transport in the cloud, the ice particle become larger. They fall when they defeat the gravity force.Several extreme weather events took place in Istanbul in July 2017. The heavy hail event on July 27 damaged hundreds of buildings and thousands of vehicles. The cost of this hazardous event was estimated to be around 300 Million US Dollars. As a result of these weather events, the total precipitation was recorded as of 30-40 kg.In the Northern Hemisphere, jets emerging in the middle and upper latitudes and as a result of the pressure systems that have been strengthened over Europe, there has been ascending air movements, including the Thracian region, and vertical clouds have formed. This system has been effective for some time. The study area includes the area where the hail event has occurred and is effective. Istanbul region is positioned in the centre of the study area. Area information, initial and boundary conditions are identified with the data and model is run for hail model simulations.The state-of-the-art Weather Research and Forecasting (WRF) model used in the study has an architecture that dissolves both the surface and the atmosphere. The high-resolution data can be quickly solved using numerical methods according to the physical options that the user specifies.Hail event is investigated using WRF atmospheric model. The model domain is set up with 4 nested domains (27, 9, 3 and 1 km resolutions from outer to inner) and Istanbul, located in northwestern Turkey, was used as the central point (41.96°N 20.06°E). Model simulations are performed for 30 hours starting from 18:00 UTC on 26 July 2017, and this time range includes 12-hour spin-up time. The temporal resolution of the outputs obtained for the four domains is 15 minutes for the innermost area and 180 minutes for the outer areas.In order to be able to construct meteorological conditions real-like, the starting time was determined to be 18 UTC on July 26, 2017. The model was run for 30 hours and the first 6 hours were evaluated as the spin-up time.ERA-Interim Reanalysis data which has 38 different pressure levels with 0.75°x0.75°active and 6-hour temporal resolution was preferred to use as the initial and lateral boundary conditions for the model simulations. In order to compare with the model results, radar, satellite and meteorological station data were taken from Turkish State Meteorological Service.The performance of the model used in simulating the hail event was assessed by comparing the model outputs and observations. Sensitivity tests were performed for parameterizations such as microphysics, cumulus and boundary layer schemes and different combinations were conducted, because the performance of the model with the default physics options was deemed poor. In the simulations made to predict the hail event, the physics options that can solve the formation of the hail and the vertically developed clouds were investigated. Kain-Fritsch, New SAS, Multi-Scale KF, KF-CuP and New Tiedtke options were used for the cumulus, YSU and MYNN2 options were used for the boundary layer, Dudhia and RRTMG options were used for shortwave radiation, RRTM and RRTMG options were used for long longwave radiation. These parameters were changed for each new simulation and results were analysed for each combination.The thesis focuses on determining the physics options that improve the performance of WRF model in simulating the hail event. During the process sensitivity tests were performed, reanalysis and observed data were used. Amongst the different combinations, it is found that the model reproduced the hail event fairly well when it is run with Milbrandt 2-moment microphysics scheme, Kain-Fritsch cumulus scheme and MYNN2 planetary boundary layer scheme. Recording to the results, accumulated precipitation is 40 mm from 27 July to 28 July; hail event starts at 14:15 UTC; and the cloud top temperature over Istanbul is about -50°C at the same time. Deep convective clouds reachs about 12 km height. Maximum hail concentration is about 400/kg at 14:15 UTC and it occurs at about 500mb pressure level. Reflectivity is about 50 dBZ when the hail event occurred.