Assimilation of ground-based and airborne lidar data into the MM5 4D-Var system

Grzeschik, Matthias

Doctoral Thesis

2010

Assimilation of ground-based and airborne lidar data into the MM5 4D-Var system

Grzeschik, Matthias

Diss_Matthias_Grzeschik.pdf (19.12 MB)

Abstract (English)

This work investigates the impact of assimilating water vapor Light Detection and Ranging (lidar) data into mesoscale Numerical Weather Prediction (NWP) models. Two cases from the field campaigns International H20 Project 2002 (IHOP_2002) and International Lindenberg Campaign for Assessment of Humidity- and Cloud-Profiling Systems and its Impact on High-Resolution Modelling 2005 (LAUNCH-2005) are presented. In the first case, airborne water vapor Differential Absorption Lidar (DIAL) data are used for an assimilation for 24 May 2002, where convection occurred along an eastward moving dryline in western Texas and Oklahoma south of a triple point that formed in western Oklahoma. In the second case, a network of three ground based water vapor Raman lidars, operated behind a sharp frontal rain band with a northwesterly flow, are used. The method employed, Four-Dimensional Variational Data Assimilation (4D-Var), is described in relation to other methods and the implementation is given in detail. The data assimilation results in a large modification of the initial fields. The assimilation into the preconvective conditions changed not only the water vapor field but also the location of convergence lines, causing positive modification of Convective Initiation (CI). In the LAUNCH-2005 case a strong correction of the vertical structure and the absolute values of the initial water-vapor field of the order of 1g/kg was found. This occurred mainly upstream of the lidar systems within an area that was comparable with the domain covered by the lidar systems. The correction of the water-vapor field was validated using independent Global Positioning System (GPS) sensors. Much better agreement with GPS zenith wet path delay was achieved with the initial water-vapor field after 4D-Var. Furthermore, the impact of the assimilation and its temporal evolution was investigated with introduced measures. The results demonstrate the high value of accurate vertically resolved mesoscale water vapor observations and advanced data assimilation systems for short-range weather forecasting.

Abstract (German)

Diese Arbeit untersucht die Auswirkungen der Assimilation von Wasserdampf Light Detection and Ranging (Lidar)-Daten in mesoskalige numerische Wettervorhersagemodelle (NWP). Zwei Fallstudien aus den Feldkampagnen International H2O Project 2002 (IHOP_2002) und International Lindenberg Campaign for Assessment of Humidity- and Cloud-Profiling Systems and its Impact on High-Resolution Modelling 2005 (LAUNCH-2005) werden vorgestellt. Im ersten Fall wurden flugzeuggestützte Differential Absorption Lidar (DIAL)-Wasserdampf-Daten für eine Assimilation am 24. Mai 2002 genutzt. An diesem Tag trat Konvektion entlang einer sich ostwärts bewegenden Feuchtefront im Westen Texas und in Oklahoma, südlich eines Tripelpunkt, auf. Im zweiten Fall wurde ein Netzwerk von drei bodengestützten Wasserdampf-Raman-Lidar-Systemen benutzt, welches nach Durchzug eines Regenbandes entlang einer Front und bei nordwestlichem Wind betrieben wurde. Die verwendete Methode, Four-Dimensional Variational Data Assimilation (4D-Var), wird erläutert und mit anderen Datenassimilationsmethoden verglichen, wobei die hierfür notwendigen Implementationen detailliert beschrieben werden. Die Datenassimilation hat eine große Änderung der Anfangsbedingungen zur Folge. Die Assimilation in die prekonvektiven Bedingungen veränderte nicht nur die Verteilung des Wasserdampfes, sondern auch die Lage von Konvergenzlinien, was die Auslösung von Konvektion (CI) positiv modifizierte. Im LAUNCH-2005 Fall wurde eine starke Korrektur der vertikalen Struktur und der absoluten Menge des initialen Wasserdampfes in der Größenordnung von 1g/kg festgestellt. Dies trifft hauptsächlich auf Gebiete im Lee der Lidar-Systeme zu. Die Korrektur des Wasserdampffeldes wurde mit unabhängigen Global Positioning System (GPS)-Messungen validiert. Durch die 4D-Var wurde eine bessere Übereinstimmung des Wasserdampf-Anfangsfeldes mit GPS Zenit Wet Path Delay (ZWD) erreicht. Außerdem wurde die Auswirkung der Assimilation und die weitere zeitlicher Veränderung mithilfe eingeführter Maße untersucht. Das Resultat zeigt den großen Wert akkurater und vertikal aufgelöster mesoskaliger Wasserdampfbeobachtungen sowie fortschrittlicher Datenassimilationsmethoden für die kurzfristige Wettervorhersage.