Evaluation of and Suggested Improvements to the WSM6 Microphysics in WRF-ARW Using Synthetic and Observed GOES-13 Imagery

 Lewis Grassoa

 Daniel T. Lindseyb, Kyo-Sun Limc, Adam Clarkd, Dan Bikosa, and Scott R. Dembeke

 aCooperative Institute for Research in the Atmosphere (CIRA)Colorado State University, Fort Collins, CO 80523-1375

Lewis.Grasso@colostate.edu

bNOAA Center for Satellite Applications and Research cAtmospheric Sciences and Global Change Division

Pacific Northwest National Laboratory dNational Severe Storms Laboratory

eCooperative Institute for Mesoscale Meteorological Studies 

High Impact Weather Workshop 1-3 April 2014, Norman, Oklahoma

Figure 1. (a) NSSL 4-km WRF-ARW synthetic imagery for the 10.35-µm (IR) band from the 0000 UTC 12 May 2010 model run valid at 1200 UTC. (b) GOES-13 10.7-µm (IR) band at 1232 UTC 12 May  2010.  The  brightness  temperature  scale  (°C)  is  the  same  for  the  synthetic  and  GOES imagery.  This figure is adapted from Bikos et al. (2012).

Bikos, D., D.  T.  Lindsey,  J. Otkin,  J.  Sieglaff,  L. Grasso,  C.  Siewert,  J.  Correlia  Jr., M.  Coniglio,  R. Rabin, J. S. Kain, and S. Dembek, 2012: Synthetic satellite imagery for real-time high-resolution model evaluation. Wea. Forecasting, 27, 784-795.

Synthetic GOES-R 10.35 µm Observed GOES-13 10.7 µm

Figure 2.   Observed (a) and synthetic (b) 10.7 µm satellite  imagery valid at 00 UTC on 11 April 2013,  and  histograms  of  observed  (solid  lines)  and  synthetic  (dashed  lines)  brightness temperatures corresponding  to  the  images over all brightness  temperatures c) and zoomed  in the  denoted  box  for  brightness  temperatures  between  190  K  and  250  K  (d).      The  synthetic image is based on a 24 hour forecast from the NSSL WRF.

Figure 3.    Same as  Figure 2,  except  valid  at  04 UTC on 2 May 2013.    The  synthetic  image  is based on a 28-hour forecast from the NSSL WRF.

Figure 4.  Same as Figure 2, except valid at 03 UTC on 16 July 2013.  The synthetic image is based on a 27-hour forecast from the NSSL WRF.

Figure 5: Similar to the histograms in Figs 2-4, except for all 9- to 36-hour forecast images from July 2011 to May 2012.

Figure 6: Same as Figure 5, except from June 2012 to September 2012.

Figure 7: Synthetic GOES-R image at 10.35 µm valid 00Z 26 July 2013 for (a) the full domain and (b)  zoomed  over  the white  box  shown  in  (a)  over  Texas, with  locations  of  the  horizontal  and vertical cross sections indicated. 

Figure 8: (a) Vertical cross section taken along the line Y=229, bounded between 495≤X≤535 as indicated  in  Figure  7b.  All  five  WSM6  microphysical  habits  are  contoured  along  with  the freezing/melting  and  homogeneous  freezing  isotherms.  (b)  Synthetic  10.35  µm  brightness temperatures (K) along the line Y=229. 

Figure  9:  Schematic  of  sources  and  sinks  for  each  of  the  five microphysical  habit  types  and water vapor in the WSM6 microphysical parameterization. The terms with red (blue) colors are activated when the temperature is above (below) 0 °C, whereas the terms with black color are in the entire regime of temperature.

Figure 10: Differences

(a) SEN1-CNTLSEN1:  psacw and pgacw  were reduced 50%.psacw:  accretion of cloud water by snow to snowpgacw:  accretion  of  cloud  water    by  graupel  to graupel 

(b) SEN2-CNTLSEN2: psacw, pgacw, and psaut  all reduced 50%.psaut: self aggregation of ice to snow

(c) SEN3-CNTLSEN3: psacw, pgacw, psaut, psaci, pgaci, and, praci all reduced 50%. psaci: accretion of ice by snow to snowpgaci: accretion of ice by graupel to graupelpraci: accretion of ice by rain to snow or graupel

Summary and conclusions

1) Direct comparisons between observed and synthetic imagery indicate the lack of wsm6 ice.2) Histograms over “long” time periods indicate the lack of “cold-cloud” from synthetic Tbs.3) Sensitivity test SENS3 indicated a “significant” increase of cloud ice due to the reduction of 

the conversions of (i) accretion of ice by snow to snow (psaci), (ii) accretion of ice by graupel to graupel (pgaci), and (iii) accretion of ice by rain to snow or graupel (praci).

4) Bold claim: psaci: accretion of ice by snow to snow dominates over pgaci and praci  outside updraft  in  the  anvil  (neither  rain  nor  graupel  exists  there).  Thus  the  reduction  in  psaci resulted in the significant increase of cloud ice in SEN3.

EPILOG