Assessment of Model Physics at Landfalls of Pre-monsoon Cyclones over Bay of Bengal and Bangladesh

Abstract

Bangladesh is placed as the fifth vulnerable country in changing climate. Extreme weather events like cyclones are prominent in two seasons: pre -and post-monsoon for Bangladesh in experiencing about 0.93% among the world cyclones each year. The technological development on numerical weather prediction (NWP) is yet to progress on advanced forecasting. This study aims to explore possibilities of model physics to simulate selected tropical cyclones that made landfalls on Bangladesh in May – Akash (2007), Aila (2009), and Viyaru (2013) during pre-monsoon. It assesses physical processes at the subgrid-scale by employing the Weather Research and Forecasting (WRF) model over a single domain with a 27 km horizontal resolution. Parameterization schemes chosen for sensitivity experiments are in three categories: 1) explicit microphysics (EM) –Kessler, Lin, and WRF Single-Moment 6-class (WSM6); 2) cumulus parameterization (CP) - Kain-Fritsch (KF) and simplified Arakawa-Schubert (AS); and 3) planetary boundary layer (PBL) –Yonsei University (YSU) and Asymmetric Convective Model version2 (ACM2). The simulated results are assessed on tracks, intensities, and precipitation patterns and compared with available observations. For tracks, Akash (2007) and Aila (2009) show a fast movement producing similar trajectories and track errors between 50 to 150 km while Viayru (2013) depict a slow movement producing similar track projections but large distance errors 150 to 500 km. Up to 72-hr simulations, Lin and WSM6 produce similar tracks and distance errors of 80-200 km for selected cyclones. For intensities, Kessler, KF, and YSU, from each parameterization category, simulated the strongest cyclones whereas Lin and WSM6 showed similar results including over/underestimations. Precipitation patterns and magnitudes, best–AS, Lin, and ACM2, are highly dependent on tracks and intensities for designated cyclones. For scrutinizing distance errors and overestimations, vertical profiles of wind speed temperature, relative humidity, and water vapor mixing ratio are analyzed. At strong wind speeds, selected model physics show deviations from observed tracks towards domain’s east (Lin and WSM6) or westward (Kessler) for studied cyclones. In CPs, KF (AS) overestimates (under) due to formations and interactions with other physics parameterizations caused by RH and wind at higher altitudes during pre-monsoon cyclones in the Bay of Bengal and Bangladesh.;방글라데시는 지리적 위치와 낮은 고도로 인해 기후 변화가 일어나기 쉬운 다섯 번째 국가로 자리 잡고 있다. 사이클론과 같은 극한 기상 현상은 다음과 같은 두 계절에 주로 나타나는데 매년 사전 우기(pre-monsoon)과 사후 우기(post-monsoon)에 전 세계의 사이클론 중에서 0.93% 를 차지한다. 수치 기상 예보 (NWP)와 같은 기술적인 개발이 아직 진행하지 않았다. 그러므로 본 연구는 낮은 대류 시스템을 모의하기 위해 모델 물리학의 가능성을 탐색하는 데에 도움이 된다. 연구와 모델 일기 예보 목적에 널리 사용되는데 날씨 예보 및 예측 (WRF)모델은 국립 환경 보호 센터National Center for Environmental Protection-FNL (NCEP-최종 분석)데이터로 초기화되고 사전 우기 동안 적절한 모델 물리학을 접근하기 위해 수평 해상도 27킬로미터의 단일 도메인을 사용한다. Akash (2007), Aila (2009) 그리고 Viyaru (2013)등의 선택된 사이클론들은 5월 육지에서 일어났다. 사이클론성 현상에 사용되고 영향을 미치는 모델 물리학은 다음과 같은 미시적 물리학으로 포함된다. 즉, 미시물리학은: Kessler 과 Lin and WSM6, cumulus parameterization (CP): Kain-Fritsch (KF)와 Simplified Arakawa-Schubert (AS), 그리고 planetary boundary layer (PBL): Yonsei University (YSU) scheme 과 Asymmetric Convective Model version2 (ACM2)등이 있다. 모의된 결과는, 강도 및 궤도에 대한 Joint Typhoon Warning Center (JTWC), 강도와 흔적에 대한Indian Meteorological Department (IMD) 그리고 강수량 패턴에 대한Tropical Rainfall Measuring Mission (TRRM) 이 평가되고 위성 데이터와 비교된다. 이러한 결과는 short (Akash and Aila) 및 long (Viyaru) 시물레이션 등의 두 가지로 구분된다. 트랙에 대해 말하자면, 전자의 경우에는, 선택된 EM, CP 와 PBL로 생산된 JTWC 와 IMD를 관측과 비교하면 빠른 움직임 및 비슷한 트랙 오류(50~150킬로미터) 가 있다. 후자의 경우에는 느린 움직임이 관찰되며 오류(150~500킬로미터)가 시간에 따라 증가한다. Kessler는 KF≥ AS 와 YSU≥ ACM2등의 두 가지의 경우에 Lin and WSM6보다 더 강한 강도를 생산한다. 강수 패턴 및 크기는 각각 생산된 트랙과 강도에 따라 크게 영향을 받는다. 트랙 거리 오류와 과대 평가를 자세히 살펴보기 위해 바람 속도(m/s)의 수직 프로필을 분석하여 동쪽이나 서쪽의 도메인에 관한 편차 트랙을 보여주고, 온도 (oC), 상대 습도 (%), 및 수증기 혼합비 (g/kg)는 사전 우기 사이클론 동안 벵골 만(the Bay of Bengal)과 방글라데시(Bangladesh)에서 더 높은 강도로 나타남을 밝히기도 했다.