A comperative study of two regional mesoscale models in Eastern Mediterranean domain for a historical reference period

Abstract

Küresel iklim modelleri gelecek iklimlerin öngörüsü için yararlı bilimsel araçlardır,fakat yersel ve zamasal çözünürlükleri bölgesel iklim çalışmaları için yetersiz kalmaktadır. Dolayısıyla bölgesel iklim değişikliğini incelemek için daha yüksek çözünürlüğesahip bölgesel iklim modelleri kullanılmalıdır.Doğu Akdeniz bölgesi sahip olduğu karmaşık yer şekilleri ve değişken iklim koşullarıile iklim modellerinin başarımının incelenmesi açısından çok ilginç bir bölge olmaözelliğine sahiptir. Bu çalışmada NCAR'ın yeni nesil hidrostatik-olmayan orta ölçekliWRF-ARW modeli Türkiye ve civarının bölgesel ikliminin analizini yapılıp ve modelinbaşarımı incelenmiştir.1960-1990 yılları için NCEP-NCAR Reanaliz verileri ileçalıştırılan WRF modelinin çıktıları aynı zaman aralığında ve aynı yapılandırmaseçenekleri ile çalıştırılmış olan RegCM3 modelinin çıktıları ile karşılaştırılmıştır.RegCM3 modeli MM5 modelini temel alan hidrostatik bir bölgesel iklim modelidirve Dünya'nın pek çok bölgesinde başarı ile uygulanmıştır. WRF ise MM5'ın üzerinegeliştirilmiştir ve fizik, dinamik ve sayısal formülasyonu hem MM5'dan hem deRegCM3'ten çok daha gelişmiştir. Fakat bu modellere göre oldukça yeni sayılan WRFile yeteri kadar bölgesel iklim çalışması yapılmamıştır ve Doğu Akdeniz bölgesindekibaşarımı bilinmemektedir. Dolayısıyla bu çalışmanın sonuçları WRF modelinin uzunsüreli bölgesel iklim çalışmalarındaki başarımı açısından önemlidir.Çalışmanın yapıldığı alan Türkiye'yi merkez olarak alan ve 13-55 Doğu ve 28-51 Batıkoordinatları arasındadır. Model çözünürlüğü yatayda 27 km'dir ve doğu-batı yönünde144, kuzey-güney yönünde ise 100 ızgara noktası kullanılmıştır.WRF modelindedüşeyde 35 seviye kullanılırken RegCM modelinde ise 18 düşey seviye kullanılmıştır.Zaman adımı 60 saniye olarak seçilmiş olup model hesaplamaları her üç saatte dosyayayazdırılmıştır.Modellerde kullanılan fizik ve dinamik paketler uzun süreli iklimçalışmaları için özel olarak seçilmiştir. Denizlerin uzun vadede yaratacağı etkiler gözönünde bulundurularak GISST veri kümesindeki deniz suyu sıcaklığı verileri ek sınırkoşulu olarak eklenmiştir. WRF modelinde karmaşık topoğrafyayı daha iyi temsiletmesi amacıyla 30 saniye çözünürlüğe ve dalga sürükleme (İng. gravity wave drag)alanınına sahip MODIS yer veri kümesi kullanılmıştır.Aylık ortalama değerler özellikle karmaşık topoğrafya üzerinde WRF modelininRegCM'den daha iyi olduğunu göstermektedir. WRF yüzey sıcaklıklarında negatiftarafa sahipken yersel dağılımı daha iyi çözmüştür.Yersel istatistik analizler debunu desteklemektedir. Bununla beraber dalga sürükleme şemasının özellikle yüksekkesimlerde sonuçları gözlemlerle daha uyumlu verdiği de görülmüştür.Sınırdakideğerler ise RegCM'de dalgalanmalı değerlere sahipken WRF'ta bu durum gözlen-memektedir. Gözlemler temel alınarak yapılan istatiksel analizin sonuçları WRF'unyersel korelasyonunun RegCM'den daha yüksek; hata ve varyansının ise daha düşükolduğunu göstermektedir.

Global Climate Models are useful tools for predicting future climates. However theirspatial and temporal resolutions are too coarse for regional climate studies. Thereforehigher resolution regional climate models should be used to examine the regionalclimate changes.Eastern Mediterranean Region is a very interesting area for testing the performanceof climate models due to its complex topography and variable climate conditions.In this study, NCAR?s next generation non-hydrostatic mesoscale model, AdvancedResearch WRF (WRF-ARW) was used to analyze the regional climate of Turkey andits neighbourhood for the period of 1961-1990 and the results are compared withRegCM outputs and observations. A similar study had been performed successfullywith hydrostatic ICTP-RegCM3 model that is based on MM5, the predecessor of WRF.WRF on the other hand, is superior to RegCM and MM5 in both physics, dynamicsand numerics, but computationally more expensive accordingly. However, WRF is stillunderdevelopmentandrequiresmoreperformanceanalysesforitsvalidationinregionalclimate modelling. Therefore the result of this study is important for the validation ofWRF in long term regional climate studies.The WRF Model was used to downscale NCEP-NCAR Reanalysis data over a domainthat spans from 13 E - 55 E and 28 N - 51 N. The grid resolution is 27 km in both directionsand there are 144 by 100 grid points in east-west and south-north directions respectively.In the vertical direction 35 levels are used and that happens to be the twice the verticalresolution of RegCM3 run. The time step is 60 seconds and the model outputs aresaved every 3 hours. Physics and dynamics options are especially chosen for longterm regional climate runs and GISST data is used as the additional SST input. Inorder to handle the steep topography of the domain, MODIS dataset with 30 arcsecondresolution and gravity wave drag (GWD) was used.Monthly means of the model outputs show that WRF is superior to RegCM overcomplex topography.WRF can simulate regional features better than RegCM.Generally, WRF has a negative bias in surface temperatures but it can solve thetemperature distribution better than RegCM that has a positive temperature bias.Especially in Mediterranean shores the difference is very clear.Moreover GWDenabled WRF runs can solve the temperature field better over steep topography.Boundary conditions are also handled better in WRF than in RegCM. RegCM generatessuperfluous distributions in southern and eastern boundaries whereas such problemsare not seen in WRF results. Statistical analyses have shown that WRF has a greaterspatial correlation and smaller spatial variability than RegCM when compared againstobservations.