WRF sensitivity to lower boundary and urban canopy parametrizations

Abstract

Ao longo dos anos avanços, na tecnologia de satélite viabilizaram a aquisição de informações sobre a superfície da Terra, tais como elevação e uso do solo, com grande detalhe e resolução. Esta informação pode ser incluída em modelos numérico da atmosfera, atualizando e dando-lhes mais detalhes sobre as condições de fronteira inferior. Assim sendo, este trabalho visa estudar a sensibilidade do Weather Research and Forecasting model a três conjuntos de dados de topografia, e dois de uso do solo diferentes. Um caso de estudo em que a precipitação orográfica foi dominante sobre a Ilha da Madeira foi considerado mostrando que, em geral não existe um aumento significativo da performance do modelo ao usar topografia ou uso do solo de alta resolução. Contudo, existe uma melhor performance do modelo em simular a precipitação a barlavento e o fluxo a sotavento da ilha. Dada a natureza deste estudo, considerou-se também um teste à sensibilidade de três parametrizações de microfísica, sendo que os resultados encontrados não mostram alterações significativas aos resultados encontrados. Além disso, a introdução de um novo conjunto de dados de uso do solo tornou possível realizar simulações usando modelos urbanos acoplados. Assim, de forma a estudar a sensibilidade a estes modelos considerou-se um caso de estudo sobre a região de Lisboa. Ao utilizar um modelo urbano verificou-se que sobre a região urbana existe um arrefecimento à superfície quando comparando com as simulações de controlo. Além disso verificou-se uma grande diferença no escoamento e na energia turbulenta produzida sobre esta zona. Estas diferenças podem por sua vez intaragem com ondas gravíticas, alterando a sua fase e amplitude. Além disso, ao comparar os resultados com dados observados verificou-se que, em geral, não existe melhoria na performance do modelo para este caso de estudo. No entanto o uso do modelo urbano BEP melhora significativamente os resultados relativos à altura da camada de mistura.

Through the years, the advances in satellite technology made feasible the acquisition of information about the Earth surface, such as elevation and land use, with great detail and resolution. This information can be included in numerical atmospheric models, updating and giving them more details about the lower boundary. Given so, this work aims to study the sensitivity of the Weather Research and Forecast model to three different topography datasets as well as two different land use datasets. A test case study in which topography driven precipitation was dominant over Madeira Island was considered. Overall, results show that there is no enhancement of model skill when using higher resolution topography or land use. However, there is a higher model skill simulating precipitation on Madeira leeward and wind flow windward. Additionally, given the nature of this event, a sensitivity test was also performed considering three different microphysics parametrizations. This test showed that the choice of the microphysics parametrizations does not significantly change the results found for this event. Furthermore, the introduction of a new land use dataset turned possible to perform simulations using Urban Canopy Models. Therefore, the sensitivity of the model to these urban parametrizations was also performed. In this work, a case study for the Lisbon region was chosen and showed that the simulations that used a urban canopy model presented a cooling in the urban region. Moreover, larger changes were observed for wind flow and turbulence kinetic energy over the area. In addition, it was shown that these could change the phase and amplitude of gravity waves that were generated in the region. When comparing to observed data it was seen that there is no enhancement of model skill when using these models. However, the planetary boundary layer is better represent by BEP urban model.