Assimilation of GPS-RO atmospheric profile data: A case study of a Mediterranean low pressure

Abstract

Bu çalışmada GPS-RO verisinin bir Akdeniz alçak basınç sisteminin numerik simülasyonuna etkileri incelendi. 20 Mart 2007'de Akdeniz'in Batı Anadolu'ya yakın bölgelerinde derin bir alçak basınç merkezi oluştu ve doğu Akdeniz bölgesini etkisi altına aldı. Bu sistem WRF-ARW modeliyle, sınır ve başlangıç koşulları için GFS analiz verileri kullanılarak modellendi. Simülasyonu iyileştirmek için WRF-ARW modelinin 3. versiyonunun farklı parametrizasyon grupları kullanıldı. Parametrizasyon gruplarının sınanmasında GFS analizleri kullanıldı. Sonuç olarak kümülüs parametrizasyonu için Kain-Fritsch Scheme, mikrofizik parametrizasyonu için Eta microphysics, uzun dalga radyasyon parametrizasyonu için Rapid Radiative Transfer Model Scheme ve kısa dalga radyasyon parametrizasyonu için Dudhia Scheme kullanılarak sistem en iyi şekilde modellenmeye çalışıldı.Daha sonra, WRF-VAR 3DVAR programı kullanılarak işlenmiş COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere & Climate) verileri modele asimile edildi. WRF-Var sistemi üç girdi dosyası ile çalışmaktadır. Bunlardan ilki soğuk başlangıç durumunda WPS/real ın çıktısı olan, sıcak başlangıç durumunda WRF' un çıktısı olan bir WRF ilk tahmin/sınır dosyasıdır. İkincisi gözlem verilerini içeren ASCII formatında Obsproc'un çıktısı olan bir dosyadır. Sistemin çalışması için gerekli olan üçüncü girdi dosyası ise tahmin hata istatistikleri dosyasıdır.Öncelikle COSMIC wetPrf verileri indirildi, wetPrf decoder programıyla formatları NETCDF'ten Little_r' a dönüştürüldü. Böylelikle veriler Obsproc (WRF 3DVAR Observation Preprocessor)'un okuyabileceği hale getirildi. Obsproc'la zaman aralığı ve domain dışındaki veriler ayıklandı. Gen_be programı kullanılarak vakaya ve domaine ait tahmin hata istatistikleri dosyası oluşturuldu. Gerekli girdi dosyaları hazırlandıktan sonra WRF-VAR çalıştırıldı. WRF-Var analizleri kullanılarak sayısal hava tahmin modeli çalıştırılmadan önce ana domain için sınır koşullarının da güncellenmesi gerekmektedir. Bu güncelleme işlemi için WRF-Var paketinde bulunan da_updated_bc.exe programı kullanıldı.Çalışmada WRF on bir ayrı analiz zamanı için GPS-RO asimilasyonsuz ve GPS-RO asimilasyonlu başlangıç koşullarıyla (güncellenmiş sınır koşullarıyla) 24 saatlik çalıştırıldı. 6., 12., 18. ve 24. saat tahminleri o ana ait GPS-RO verileriyle karşılaştırıldı. Toplam 44 GPS-RO asimilasyonlu ve 44 GPS-RO asimilasyonsuz tahmin karşılaştırıldı. GPS-RO asimilasyonunun tahminlere katkıları gözlendi.

In this study the impacts of assimilation of GPS-RO data in numerical simulations of a Mediterranean low pressure system are evaluated. In 20 March 2007, a deep low-pressure centre formed over the Mediterranean Sea near the western Anatolia and later affected a large area of central and eastern Mediterranean region downstream. This system is simulated using the WRF-ARW model initialized with GFS analysis data. Several variations of physics options of WRF-ARW Version 3 are tried for sensitivity analysis of the case. GFS analyses are used for the verification of sensitivity. Finally Kain-Fritsch Scheme for cumulus parameterization, Eta microphysics for microphysics parameterization, Rapid Radiative Transfer Model Scheme for longwave radiation parametiztion and Dudhia Scheme for shortwave radiation parametrizations are chosen for modelling the low pressure system accurately.Using the WRF-VAR 3DVAR system, COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere & Climate) post-processed data are assimilated to the model. The WRF-Var system requires three input files to run: WRF first guess/boundary input-format files output from either WPS/real (cold-start) or WRF (warm-start), Observations (in ASCII format, PREBUFR or BUFR for radiance), and a background error statistics file (containing background error covariance). COSMIC wetPrf data are downloaded and prepared for Obsproc (WRF 3DVAR Observation Preprocessor) by decoding to little_r format from NETCDF format by using wefPrf decoder. The data outside the time range and domain are removed by Obsproc. Our domain-specific background error statistics are generated with the gen_be utility. Then, WRF-VAR is run. Before running a NWP forecast using the WRF model with WRF-Var analysis, the values and tendencies for each of predicted variables for the first time period in the lateral boundary condition file for domain-1 (wrfbdy_d01) must also be updated to be consistent with the new WRF-Var initial condition (analysis). This procedure is performed by the WRF-Var utility called da_updated_bc.exe.In this study WRF is run for eleven analysis times initialized with GFS analyses only and for the same analysis times with the additonal assimilation of GPS-RO observations. The 6, 12, 18 and 24 hour forecast results are verified against GPS-RO soundings. In total, 44 forecasts with GPS-RO assimilation and 44 forecasts with no GPS-RO assimilation initial conditions are compared. Improvements in these forecasts with the assimilated GPS-RO data are observed and the benefits of assimilating GPS-RO data in addition to the traditional observations assimilated by the GFS system are presented.