Regional Precipitation Study in Central America, Using the WRF Model

Abstract

Using the regional climate model WRF, and the NCEP-NCAR Reanalysis Project data as boundary and initial conditions, regional precipitation was estimated by means of the dynamical downscaling technique for two selected periods, January 2000 and September 2007. These months show very particular climatic characteristics of the precipitation regimen in Central America, like dry (wet) conditions in the Pacific (Caribbean) coast of the Central American isthmus, in January, and wet (dry) conditions, respectively in each coast, during September. Four-nested-domains, each grids of resolution of 90 km (d01), 30 km (d02), 10 km (d03), and 3.3 km (d04), were configured over this region. The runs were reinitialized each 5 days with 6 hours of spin-up time for adjustment of the model. A total of 8 experiments (4 per month) were tested in order to study: a) two important Cumulus Parameterization Schemes (CPS), Kain-Fritsch (KF) and Grell-Devenyi (GD); and b) the physical interaction between nested domains (one- and two-way nesting), during each simulated month. January 2000 results showed that the modeled precipitation is in agreement with observations, and also captured the mean climate features of rainfall concerning magnitude, and spatial distribution, like the particular precipitation contrast between the Pacific and the Caribbean coast. Outputs from September 2007 revealed significant differences when a visual comparison is made to the spatial distribution of each coarse domain (d01, d02, and d03) with their respective domain in each experiment. However, the inner grids (d04) in all the experiments, showed a similar spatial distribution and magnitude estimation, mainly in those runs using one-way nesting configuration. Furthermore, the results for this moth differ substantially with observations, and the latter could be related with associated deficiencies in the boundary condition that do not reproduce well the transition periods from warm to cold El Niño episodes. Moreover, in all the experiments, the KF scheme calculated more precipitation than the GD scheme and it is associated to the ability of the GD scheme to reproduce spotty but intense rainfall, and apparently, this scheme is reluctant to activate, frequently yielding little or no rain. However, when rainfall does develop, it is very intense. Also, the time series do not replicate specific precipitation events, thus, the 5-days integration period used in this study, is not enough to reproduce short-period precipitation events. Finally, physical interaction issues between the nested domains are reflected in discontinuities in the precipitation field, which have been associated to mass field adjustment in the CPS.

Se utilizó el modelo regional WRF, y los datos del proyecto de reanálisis de NCEP/NCAR como condiciones iniciales y de frontera, para estimar precipitación a escala regional por medio de la técnica de reducción de escala (downscaling) dinámica, durante dos periodos seleccionados, Enero 2000 y Septiembre 2007. Estos meses presentan características climáticas particulares del regimen de lluvias en América Central, como condiciones secas (húmedas) en la costa Pacífico (Caribe), durante Enero, y condiciones húmedas (secas) respectivamente en cada costa, durante Septiembre. Cuatro dominios anidados fueron configurados sobre América Central, cada uno con una resolución de 90km (d01), 30 km (d02), 10 km (d03) y 3.3 km (d04). Las simulaciones fueron reinicializadas cada 5 días, considerando un periodo de 6 horas para ajuste del modelo (spin-up). Un total de 8 experimentos (4 por mes) fueron analizados con el objetivo de estudiar: a) dos esquemas de paramatrización de cúmulus (EPC) importantes, Kain-Fristch (KF) y Grell-Devenyi (GD), y b) la interacción de los procesos físicos entre los dominios anidados. Los resultados de los experimentos de Enero 2000 muestran que la precipitación modelada coincide con las observaciones, y que además, captura las principales características climáticas, tanto, en magnitud como en la distribución espacial como el contraste presente entre las costas Pacífico y Caribe de América Central. Las salidas de los experimentos de Septiembre 2007, muestran discrepancias cuando se comparan visualmente, la distribución espacial de precipitación en los dominios de baja resolución (d01, d02 y d03), con sus respectivos dominios en cada experimento. Sin embargo, en el domino interno (d04) de cada, no se encontraron mayores diferencias en la distribución espacial de lluvia, principalmente en aquellos experimentos en los que se utilizó retroalimentación dinámica en una dirección (one-way nesting). Por otra parte, los resultados de este experimento difieren considerablemente con las observaciones. Esto último podría estar relacionado con deficiencias en las condiciones de frontera, reflejadas en la representación de la transición de eventos cálidos a fríos de El Niño Oscilación del Sur. En términos generales, el esquema KF calculó más precipitación que el esquema GD en todos y es asociado a que el esquema GD produce precipitación irregular, pero intensa, siendo reacio a activar, por lo que frecuentemente produce poca o nada de lluvia. Sin embargo, cuando la lluvia se desarrolla es muy intensa. Además, las series de tiempo no capturaron eventos específicos, lo cual indica que el periodo de integración (5 días) utilizado no es el idóneo para reproducir eventos de corta duración. Por último, se encontraron problemas de interacción física entre los dominios anidados, reflejados en discontinuidades en el campo de precipitación, los cuales son asociados a ajustes en el campo de masa de los EPC.

Nederbörden i Central Amerika har uppskattats med dynamisk nedskalning för två utvalda perioder, januari 2000 och september 2007. Global återanalysdata från NCEP-NCARs återanalysprojekt har använts som randdata och initialdata till den regionala klimatmodellen WRF. De studerade månaderna uppvisar stora variationer i nederbördsmönster, tex lite (mycket) nederbörd under januari och mycket (lite) nederbörd under september för kustområdena längs Stilla havet (Karibiska havet). Fyra nästlade domäner över Central Amerika har använts med en upplösning på 90 km (d01), 30 km (d02), 10 km (d03) och 3,3 km (d04). Simuleringarna initialiserades var 5:e dag och de första 6 timmarna efter varje initialisering används för modellens anpassning till initialtillståndet. Totalt 8 experiment genomfördes (4 för varje månad) för att studera: (a) två olika sätt att parameterisera konvektion i Cumulusmoln (CPS), Kain-Fritsch (KF) och Grell-Devenyi (GD) och (b) den fysikaliska interaktionen mellan de nästlade domänerna (en- respektive tvåvägs nästlade scheman). För januari 2000 var det god överensstämmelse mellan modellerad och observerad nederbörd. Modellen beskriver väl såväl mängden nederbörd som den rumsliga fördelningen, t ex den stora kontrasten mellan kustområdena längs Stilla havet och Karibiska havet. För september 2007 uppvisar den modellerade nederbörden stora skillnader i de olika experimenten för de yttre domänerna (d01, d02, d03). För den inre domänen (d04) är resultaten från de olika experimenten betydligt mer lika, särskilt för experimenten med envägs nästlade scheman. Vidare skiljer sig den modellerade nederbörden väsentligt från observerad nederbörd under september 2007. Detta kan förklaras med felaktiga randdata på grund av problemet i återanalys data att reproducera perioder med övergång från varm till kall El Niño. I alla experiment gav KF mer nederbörd än GD, det kan förklaras med att GD bättre reproducerar kortvarig, intensiv nederbörd. Det finns en viss tröghet innan nederbörden i GD aktiveras, vilket innebär större frekvens av lite eller ingen nederbörd. När nederbörden väl utvecklas blir den dock intensiv. WRF-modellen klarar inte av att återge specifika nederbördshändelser för de genomförda experimenten, vilket betyder att 5-dagar är för lång simuleringstid för att kunna reproducera specifika händelser. Slutligen, interaktion mellan de nästlade domänerna skapar diskontinuiteter i nederbördsmönstren längs ränderna på domänerna, detta kan förklaras med justeringar av massfältet i CPS.