scholarly journals Moving toward Subkilometer Modeling Grid Spacings: Impacts on Atmospheric and Hydrological Simulations of Extreme Flash Flood–Inducing Storms

2017 ◽  
Vol 18 (1) ◽  
pp. 209-226 ◽  
Author(s):  
Nikolaos S. Bartsotas ◽  
Efthymios I. Nikolopoulos ◽  
Emmanouil N. Anagnostou ◽  
Stavros Solomos ◽  
George Kallos

Abstract Flash floods develop over small spatiotemporal scales, an attribute that makes their predictability a particularly challenging task. The serious threat they pose for human lives, along with damage estimates that can exceed one billion U.S. dollars in some cases, urge toward more accurate forecasting. Recent advances in computational science combined with state-of-the-art atmospheric models allow atmospheric simulations at very fine (i.e., subkilometer) grid scales, an element that is deemed important for capturing the initiation and evolution of flash flood–triggering storms. This work provides some evidence on the relative gain that can be expected from the adoption of such subkilometer model grids. A necessary insight into the complex processes of these severe incidents is provided through the simulation of three flood-inducing heavy precipitation events in the Alps for a range of model grid scales (0.25, 1, and 4 km) with the Regional Atmospheric Modeling System–Integrated Community Limited Area Modeling System (RAMS–ICLAMS) atmospheric model. A distributed hydrologic model [Kinematic Local Excess Model (KLEM)] is forced with the various atmospheric simulation outputs to further evaluate the relative impact of atmospheric model resolution on the hydrologic prediction. The use of a finer grid is beneficial in most cases, yet there are events where the improvement is marginal. This underlines why the use of finer scales is a step in the right direction but not a solitary component of a successful flash flood–forecasting recipe.

2003 ◽  
Vol 21 (3) ◽  
pp. 627-637 ◽  
Author(s):  
B. Ahrens ◽  
K. Jasper ◽  
J. Gurtz

Abstract. Highly resolved precipitation forecasts are necessary in many applications, especially in mountain meteorology and flash flood forecasts for small- to medium-sized alpine watersheds. Here we present precipitation forecasts simulated by the limited area model ALADIN applying different grid resolutions (Dx = 10 km and 4 km). Target area of the investigations is the Alpine Ticino-Verzasca-Maggia watershed (total area: 2627 km2). We discuss problems of validation of high-resolution precipitation forecasts by comparison with observed precipitation fields and apply an indirect validation approach by using ALADIN forecasts as input to hydrologic simulations. These simulations are carried out with the distributed hydrologic model WaSiM-ETH (Dx = 500 m, Dt = 1 h). The time step of meteorological input to WaSiM-ETH is fixed at 1 h but spatial resolution varies. The main result of the validation experiments for three heavy precipitation events is, that coarser-scale ALADIN forecasts (in model version 11.2) provide better precipitation predictors for hydrologic modeling than higher-resolution forecasts. The experiments demonstrate that hydrologic modeling is a promising tool for the evaluation of high-resolution precipitation fields.Key words. Hydrology (floods) – Meteorology and atmospheric dynamics (mesoscale meteorology; precipitation)


2014 ◽  
Author(s):  
Jonilda Kushta

Τα σωματίδια, είτε φυσικής είτε ανθρωπογενούς προέλευσης, επηρεάζουν την ακτινοβολία απορροφώντας ή/και σκεδάζοντας μέρος της ηλιακής και γήινης ακτινοβολίας. Αυτός ο μηχανισμός είναι γνωστός ως ‘άμεσος’ μηχανισμός αλληλεπίδρασης. Μέσω αυτής της διαδικασίας επηρεάζεται η θερμοδυναμική κατάσταση της ατμόσφαιρας καθώς και η χωροχρονική κατανομή των νεφών και του υετού. Ενας άλλος μηχανισμός αλληλεπίδρασης των σωματιδίων με τις ατμοσφαιρικές διεργασίες, ονομαζόμενος ‘έμμεσος’ μηχανισμός, δημιουργείται όταν τα σωματίδια πληρούν τις προϋποθέσεις να ενεργοποιηθούν ως πυρήνες συμπύκνωσης (cloud condensation nuclei – CCN) ή παγοποίησης (ice nuclei – IN). Μέσω αυτού του μηχανισμού τα σωματίδια τροποποιούν τις οπτικές ιδιότητες των νεφών καθώς και την χωρική και χρονική κατανομή του παραγόμενου υετού. Οι προαναφερθείσες αλλαγές στα θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά της ατμόσφαιρας επηρεάζουν, σε ένα πολύπλοκο κύκλο, την κατανομή των σωματιδίων και αερίων ρύπων σε όλες τις φάσεις παραγωγής, μεταφοράς και εναπόθεσής τους. Επιπλέον, οι αλλαγές στην θερμοκρασιακή κατανομή και τις ροές ακτινοβολίας τροποποιούν τους ρυθμούς χημικών αντιδράσεων καθώς και τους φωτοχημικούς συντελεστές. Ως αποτέλεσμα αυτών των επιδράσεων, οι συγκεντρώσεις αερίων ρύπων (όπως του όζοντος) εμφανίζουν διαφορές που εξαρτώνται από μια σειρά παραμέτρων, μετεωρολογικής και χημικής φύσεως. Οι φυσικές και χημικές διεργασίες στην ατμόσφαιρα, ιστορικά, προσομοιώνονται με ξεχωριστά μοντέλα. Με αυτή την προσέγγιση, παρά την υπολογιστικά ελκυστική απόδοσή της, υπάρχουν ασυνέπειες στην περιγραφή των πεδίων (όταν η πληροφορία ανταλλάσσεται από το ένα μοντέλο στο άλλο) καθώς τα μοντέλα αυτά χρησιμοποιούν διαφορετικές χρονικές και χωρικές αναλύσεις και διαφορετικά συστήματα συντεταγμένων. Επιπλέον, η ξεχωριστή ανάλυση των διεργασιών δεν αφήνει χώρο για την -διπλής κατεύθυνσης- ανταλλαγή πληροφορίας (two way interaction) ώστε να μπορούν να περιγραφούν οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους.Με την ενίσχυση των αποδείξεων πως αυτές οι αλληλεπιδράσεις παίζουν σημαντικό ρόλο σε εφαρμογές ποικίλης χρονικής διακύμανσης (από τοπικές προβλέψεις καιρού έως εφαρμογές κλιματικής αλλαγής), όπως αυτές κατεγράφησαν σε ειδικές εκθέσεις από την Διεθνή Επιτροπή για την Κλιματική Αλλαγή, η επιστημονική κοινότητα επικέντρωσε τις προσπάθειές της στη δημιουργία μοντέλων που συμπεριλαμβάνουν στο μέγιστο δυνατό βαθμό αυτές τις αλληλεπιδράσεις. Η εργασία αυτή είναι μέρος της ‘αλλαγής κατεύθυνσης’ προς την νέα επιστημονική έννοια της ‘Πρόβλεψης Χημικού Καιρού’ όπως ονομάστηκε από ειδικούς του χώρου. Το αντικείμενο αυτής της διατριβής είναι η προσθήκη νέων και η βελτίωση υφιστάμενων μηχανισμών και δυνατοτήτων στο αριθμητικό μοντέλο RAMS όπως αυτό έχει τροποποιηθεί από την Ομάδα Ατμοσφαιρικών Μοντέλων και Πρόγνωσης Καιρού (Ο.Α.Μ.Π.Κ.) του ΕΚΠΑ, με σκοπό να χρησιμοποιηθεί για την μελέτη των αλυσιδωτών αντιδράσεων των μηχανισμών στην ατμόσφαιρα. Το RAMS χρησιμοποιήθηκε ως πυρήνας της ανάπτυξης του ολοκληρωμένου αριθμητικού συστήματος λόγω του αναλυτικού μικροφυσικού σχήματος που περιέχει που δύναται να παίζει σημαντικό ρόλο στην ικανοποιητική προσομοίωση του ατμοσφαιρικού κύκλου του νερού. Oι σχετικές τροποποιήσεις που αφορούν τον άμεσο υπολογισμό (explicit calculation) των πυρήνων συμπύκνωσης και παγοποίησης στην ατμόσφαιρα πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια της προηγηθείσας διδακτορικής διατριβής του κυρίου Σταύρου Σολωμού. Το RAMS είναι ένα μοντέλο με δυνατότητες εμφώλευσης (nesting) που έχει χρησιμοποιηθεί από την Ο.Α.Μ.Π.Κ, καθώς και άλλες διεθνείς ομάδες, και έχει ελεχθεί ως προς την απόδοσή του σε ποικίλα ατμοσφαιρικά φαινόμενα. Το RAMS επεκτάθηκε στα πλαίσια αυτής της διατριβής με σχήματα χημείας αέριας, υγρής και στερεής φάσης και ατμοσφαιρικού κύκλου φυσικών σωματιδίων (σκόνης και αλατιού). Ο υπολογισμός ρυθμών φωτόλυσης, που καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό τα επίπεδα ρύπανσης, ενσωματώθηκε στο μοντέλο ώστε να πραγματοποιηθεί άμεσα (online). To νέο σύστημα εμπλουτίστηκε με την ενσωμάτωση ενός νέου σχήματος ακτινοβολίας, το Rapid Radiative Transfer Model (RRTM), που περιέχει μια λεπτομερέστερη κατανομή μήκους κύματος της ακτινοβολίας σε σχέση με το προϋπάρχον σχήμα (Ηarrington, 1997). Η λεπτομερέστερη κατανομή είναι σημαντική για τον ακριβέστερο υπολογισμό των ρυθμών φωτόλυσης. Οι σημαντικότερες βελτιώσεις του μοντέλου που πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής, οι νέες δυνατότητες, καθώς και οι αλληλεπιδράσεις που λαμβάνονται υπόψη αριθμούνται ως εξής: 1.Ενσωμάτωση του υπολογισμού των φωτολυτικών ρυθμών ο οποίος έγινε απευθείας στο σχήμα ακτινοβολίας και λαμβάνει υπόψη την επίδραση νεφών και ρύπων στο ισοζύγιό της.2.Ενσωμάτωση της αέριας χημείας βασιζόμενη στο σχήμα SAPRC99, της χημείας υγρής και στερεής φάσης και για ανόργανες και για οργανικές ενώσεις.3.Επίδραση των φυσικών (σκόνη, αλάτι) και ανθρωπογενών (sulfates, nitrates) σωματιδίων στη -μικρού και μεγάλου μήκος κύματος- ακτινοβολία. Η επίδραση των υδροφιλικών σωματιδίων (αλάτι) λαμβάνει υπόψη και την υγρασία της ατμόσφαιρας, πέρα του μεγέθους των σωματιδίων που λαμβάνεται υπόψη για όλα τα προαναφερθέντα σωματίδια.4.Ενεργοποίηση των ανθρωπογενών σωματιδίων ως πυρήνες συμπύκνωσης (sulfates) επιπλέον των φυσικών σωματιδίων (σκόνη και αλάτι).5.Χρήση βιογενών εκπομπών από παραμετροποίηση από το μοντέλο (online), συμπεριλαμβανομένης και της δυνατότητας χρήσης διαφόρων θερμοκρασιών στο σχήμα παραμετροποίησης. Η χρήση διαφόρων δεδομένων εκπομπών, χρησιμοποιήθηκε ως ένα εργαλείο ελέγχου της ευαισθησίας του μοντέλου. Ειδικότερα ερευνήθηκε η επίδραση εκπομπών από την πολιτική αεροπορία λόγω της σημαντικής αύξησης αυτής της ανθρωπογενούς δραστηριότητας και της ιδιαιτερότητας των εκπομπών της (εκπομπές κυρίως στην μέση και ανώτερη τροπόσφαιρα).Το μοντέλο ονομάστηκε RAMS/ICLAMS (Regional Atmospheric Modeling System/Ιntegrated Community Limited Area Modeling System) και συμπεριλαμβάνεται επίσημα στην λίστα των state-of-the-art ολοκληρωμένων συστημάτων προσομοίωσης του COST action “Enhancing Meso-scale Meteorological Modelling Capabilities for Air Pollution and Dispersion Applications” (ES1004).Το ολοκληρωμένο σύστημα χρησιμοποιήθηκε ως εργαλείο για την ανάλυση των άμεσων και έμμεσων επιδράσεων των αερολυμάτων. Tο μοντέλο εφαρμόστηκε σε περιπτώσεις αυξημένων συγκεντρώσεων φυσικών και ανθρωπογενών σωματιδίων και μελετήθηκε η επίδρασή τους πάνω στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας, την θερμοδυναμική της ατμόσφαιρας, την κατανομή νεφών και υετού, καθώς και τη συνεπαγόμενη επίδραση των θερμοδυναμικών αλλαγών στη κατανομή των σωματιδίων και τις συγκεντρώσεις του όζοντος.


2012 ◽  
Vol 2012 ◽  
pp. 1-16 ◽  
Author(s):  
Francisco José Lopes de Lima ◽  
Enilson Palmeira Cavalcanti ◽  
Enio Pereira de Souza ◽  
Emerson Mariano da Silva

This work aims to describe the wind power density in five sites in the State of Paraiba, as well as to access the ability of the mesoscale atmospheric model Brazilian developments on the regional atmospheric modeling system (BRAMS) in describing the intensity of wind in São Gonçalo Monteiro, Patos, Campina Grande, and João Pessoa. Observational data are wind speed and direction at 10 m high, provided by the National Institute of Meteorology (INMET). We used the numerical model BRAMS in simulations for two different months. We ran the model for rainy months: March and April. It was concluded that the BRAMS model is able to satisfactorily reproduce the monthly cycle of the wind regime considered, as well as the main direction. However the model tends to underestimate the wind speed.


2015 ◽  
Vol 16 (4) ◽  
pp. 1742-1751 ◽  
Author(s):  
E. I. Nikolopoulos ◽  
N. S. Bartsotas ◽  
E. N. Anagnostou ◽  
G. Kallos

Abstract The September 2013 flash flood–triggering rainfall event in Colorado highlighted the strong underestimation of remote sensing techniques over mountainous terrain. In this work, the use of high-resolution rainfall forecasts for adjusting weather radar– [Multi-Radar Multi-Sensor (MRMS) quantitative precipitation estimation (Q3)] and satellite-based [CPC morphing technique (CMORPH) and TRMM 3B42RT] rainfall estimates is examined. Evaluation of the adjustment procedures is based on the NCEP Stage IV product. Results show that 1-km-grid-resolution rainfall forecasts provided by a numerical weather prediction model [Regional Atmospheric Modeling System and Integrated Community Limited Area Modeling System (RAMS-ICLAMS)] adequately captured total rainfall amounts during the event and could therefore be used to adjust biases in radar and satellite rainfall estimates. Two commonly used adjustment procedures according to 1) mean field bias and 2) probability density function matching are examined. Findings indicate that both procedures are successful in improving the original radar and satellite rainfall estimates, with the first method consistently providing the highest bias reduction while the second exhibits higher improvement in RMSE and correlation.


2007 ◽  
Vol 8 (4) ◽  
pp. 897-909 ◽  
Author(s):  
M. Verbunt ◽  
A. Walser ◽  
J. Gurtz ◽  
A. Montani ◽  
C. Schär

Abstract A high-resolution atmospheric ensemble forecasting system is coupled to a hydrologic model to investigate probabilistic runoff forecasts for the alpine tributaries of the Rhine River basin (34 550 km2). Five-day ensemble forecasts consisting of 51 members, generated with the global ensemble prediction system (EPS) of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), are downscaled with the limited-area model Lokal Modell (LM). The resulting limited-area ensemble prediction system (LEPS) uses a horizontal grid spacing of 10 km and provides one-hourly output for driving the distributed hydrologic model Precipitation–Runoff–Evapotranspiration–Hydrotope (PREVAH) hydrologic response unit (HRU) with a resolution of 500 × 500 m2 and a time step of 1 h. The hydrologic model component is calibrated for the river catchments considered, which are characterized by highly complex topography, for the period 1997–98 using surface observations, and validated for 1999–2002. This study explores the feasibility of atmospheric ensemble predictions for runoff forecasting, in comparison with deterministic atmospheric forcing. Detailed analysis is presented for two case studies: the spring 1999 flood event affecting central Europe due to a combination of snowmelt and heavy precipitation, and the November 2002 flood in the Alpine Rhine catchment. For both cases, the deterministic simulations yield forecast failures, while the coupled atmospheric–hydrologic EPS provides appropriate probabilistic forecast guidance with early indications for extreme floods. It is further shown that probabilistic runoff forecasts using a subsample of EPS members, selected by a cluster analysis, properly represent the forecasts using all 51 EPS members, while forecasts from randomly chosen subsamples reveal a reduced spread compared to the representative members. Additional analyses show that the representation of horizontal advection of precipitation in the atmospheric model may be crucial for flood forecasts in alpine catchments.


2019 ◽  
Vol 20 (1) ◽  
pp. 23-44 ◽  
Author(s):  
Marika Koukoula ◽  
Efthymios I. Nikolopoulos ◽  
Jonilda Kushta ◽  
Nikolaos S. Bartsotas ◽  
George Kallos ◽  
...  

Abstract Of the boundary conditions that affect the simulation of convective precipitation, soil moisture is one of the most important. In this study, we explore the impact of the soil moisture on convective precipitation, and factors affecting it, through an extensive numerical experiment based on four convective precipitation events that caused moderate to severe flooding in the Gard region of southern France. High-spatial-resolution (1 km) weather simulations were performed using the integrated atmospheric model Regional Atmospheric Modeling System/Integrated Community Limited Area Modeling System (RAMS/ICLAMS). The experimental framework included comparative analysis of five simulation scenarios for each event, in which we varied the magnitude and spatial distribution of the initial volumetric water content using realistic soil moisture fields with different spatial resolution. We used precipitation and surface soil moisture from radar and satellite sensors as references for the comparison of the sensitivity tests. Our results elucidate the complexity of the relationship between soil moisture and convective precipitation, showing that the control of soil water content on partitioning land surface heat fluxes has significant impacts on convective precipitation. Additionally, it is shown how different soil moisture conditions affect the modeled microphysical structure of the clouds, which translates into further changes in the magnitude and distribution of precipitation.


2010 ◽  
Vol 138 (6) ◽  
pp. 2336-2353 ◽  
Author(s):  
Linda Schlemmer ◽  
Olivia Martius ◽  
Michael Sprenger ◽  
Cornelia Schwierz ◽  
Arwen Twitchett

Abstract Extreme precipitation events along the Alpine south side (AS) are often forced by upper-level positive potential vorticity (PV) anomalies over western Europe. These so-called PV streamers go along with a dynamical forcing for upward motion, a reduction of the static stability in the troposphere (hence facilitating convection), and are associated with low-level winds that transport moisture toward the Alps. A case of heavy precipitation is examined using the 40-yr ECMWF Re-Analysis data. Piecewise PV inversion (PPVI) and the limited-area Climate High Resolution Model (CHRM) are used to assess the influences of mesoscale parts of the streamer on the precipitation event. The impacts on the vertical stability are quantified by the convective available potential energy (CAPE) and an index of static stability. Very sensitive areas in terms of the stability are located beneath the southern tip of the streamer; smaller changes in the stability are observed in the Alpine region. The moisture transport toward the Alps is sensitive to the amplitude of the streamer, which influences the amount of water that can be transported along its eastern flank. The impacts of the topography on the flow are assessed by calculating an average inverse Froude number. Whether or not the air parcels are blocked by or lifted over the barrier (going along with suppressed and enhanced precipitation, respectively) depends on the vertical stability and the impinging wind velocity, two parameters that are inherently linked to the PV streamer and its substructure.


2013 ◽  
Vol 1 (3) ◽  
pp. 2495-2545 ◽  
Author(s):  
L. Trapero ◽  
J. Bech ◽  
F. Duffourg ◽  
P. Esteban ◽  
J. Lorente

Abstract. From 6 to 8 November 1982 was recorded one of the most catastrophic flash-flood events in the Eastern Pyrenees affecting Andorra and also France and Spain with rainfall accumulations exceeding 400 mm in 24 h, 44 fatal victims and widespread damage. This paper aims to document exhaustively this heavy precipitation event and examines mesoscale simulations performed by the French Meso-NH non-hydrostatic atmospheric model. Large scale simulations show the slow-evolving synoptic environment favourable for the development of a deep Atlantic cyclone which induced a strong southerly flow over the Eastern Pyrenees. From the evolution of the synoptic pattern four distinct phases have been identified during the event. The mesoscale analysis presents the second and the third phase as the most intense in terms of rainfall accumulations and highlights the interaction of the moist and conditionally unstable flows with the mountains. The presence of a SW low level jet (30 m s−1) around 1500 m also had a crucial role on focusing the precipitation over the exposed south slopes of the Eastern Pyrenees. Backward trajectories based on Eulerian on-line passive tracers indicate that the orographic uplift was the main forcing mechanism which triggered and maintained the precipitating systems more than 30 h over the Pyrenees. The moisture of the feeding flow mainly came from the Atlantic Ocean (7–9 g kg−1) and the role of the Mediterranean as a local moisture source was very limited (2–3 g kg−1) due to the high initial water vapour content of the parcels and the rapid passage over the basin along the Spanish Mediterranean coast (less than 12 h).


2013 ◽  
Vol 13 (11) ◽  
pp. 2969-2990 ◽  
Author(s):  
L. Trapero ◽  
J. Bech ◽  
F. Duffourg ◽  
P. Esteban ◽  
J. Lorente

Abstract. From 6 to 8 November 1982 one of the most catastrophic flash-flood events was recorded in the Eastern Pyrenees affecting Andorra and also France and Spain with rainfall accumulations exceeding 400 mm in 24 h, 44 fatalities and widespread damage. This paper aims to exhaustively document this heavy precipitation event and examines mesoscale simulations performed by the French Meso-NH non-hydrostatic atmospheric model. Large-scale simulations show the slow-evolving synoptic environment favourable for the development of a deep Atlantic cyclone which induced a strong southerly flow over the Eastern Pyrenees. From the evolution of the synoptic pattern four distinct phases have been identified during the event. The mesoscale analysis presents the second and the third phase as the most intense in terms of rainfall accumulations and highlights the interaction of the moist and conditionally unstable flows with the mountains. The presence of a SW low level jet (30 m s−1) around 1500 m also had a crucial role on focusing the precipitation over the exposed south slopes of the Eastern Pyrenees. Backward trajectories based on Eulerian on-line passive tracers indicate that the orographic uplift was the main forcing mechanism which triggered and maintained the precipitating systems more than 30 h over the Pyrenees. The moisture of the feeding flow mainly came from the Atlantic Ocean (7–9 g kg−1) and the role of the Mediterranean as a local moisture source was very limited (2–3 g kg−1) due to the high initial water vapour content of the parcels and the rapid passage over the basin along the Spanish Mediterranean coast (less than 12 h).


2021 ◽  
Author(s):  
Felipe Quintero ◽  
Gabriele Villarini ◽  
Andreas F. Prein ◽  
Witold F. Krajewski ◽  
Wei Zhang

Abstract Our study focuses on the hydrologic implications of resolving and modeling atmospheric processes at different spatial scales. Here we use heavy precipitation events from an atmospheric model that was run at different horizontal grid spacings (i.e., 250 m, 500 m, 1 km, 2 km 4 km, and 12 km) and able to resolve different processes. Within an idealized simulation framework, these rainfall events are used as input to an operational distributed hydrologic model to evaluate the sensitivity of the hydrologic response to different forcing grid spacings. We consider the finest scale (i.e., 250 m) as reference, and compute event peak flows and volumes across a wide range of basin sizes. We find that the use of increasingly-coarser inputs leads to changes in the distribution of event peak flows and volumes, with the strongest sensitivity at the smallest catchment sizes. Overall, we find that 4-km rainfall simulations represent a good compromise between computational costs and hydrologic performance, providing basic information for future endeavors geared towards regional downscaling.


Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document