Sensitivity Analysis of Heavy Rainfall Events on Physical Parameterization Configurations Using WRF-ARW Model over Myanmar

Abstract

As Myanmar is situated at the center of Southeast Asia’s southwest monsoon area, it has been severely affected by heavy rainfall events every year. The aim of this research is to investigate the impacts of physical parameterization configurations of the WRF-ARW model, including two convective parameterization schemes (Kain-Fritsch scheme (KF) and Betts-Miller-Janjic scheme (BMJ)), six microphysics schemes (Kessler (K), Purdue Lin et al. (Lin), WRF Single-Moment 3-class (WSM3), WRF Single-Moment 6-class (WSM6), New Thompson et al. (Thompson) and Morrison double-moment scheme (Morrison)), and the Yonsei University planetary boundary layer scheme, on three heavy rainfall events in the recent years (on 14–17 April 2017, on 22 October 2018, and on 20 July 2019) over Myanmar. Comparisons between the daily observed rainfall data from the Department of Meteorology and Hydrology (DMH), Myanmar, and twelve different model simulated rainfall outputs were made to assess the quantitative verification of the WRF-ARW model in simulating rainfall. The National Centers for Environmental Prediction Final Analysis (NCEP-FNL) dataset was used as the initial and boundary conditions. Based on the model simulated results, it was proved that the model detected the different environmental factors that caused heavy rainfall over Myanmar. For the heavy rainfall case in 2017, which was caused by the impact of the tropical pre-monsoon cyclone over the Bay of Bengal, the best simulated cyclone track was obtained in the combination of the KF-Morrison schemes, compared with simulated outputs and the Joint Typhoon Warning Center (JTWC) dataset. The combination that best captured the sea level pressure and wind speed was the BMJWSM3 schemes. It was found that the BMJ-WSM3 combination was the best at simulating rainfall for the normal daily rainfall event, although the BMJ-Morrison experiment was the best to capture the rainfall during heavy rainfall event caused by the impact of tropical premonsoon cyclone in Myanmar. The BMJ convective parameterization scheme was the best to simulate the heavy rainfall event during the southwest monsoon period, whereas the KF scheme showed the best results for the heavy rainfall event affected by a tropical cyclone of South China Sea. In terms of the microphysics schemes, the WSM6 and Morrison schemes simulated rainfall relatively well during heavy rainfall events over Myanmar. The Morrison scheme was able to simulate rainfall better than the WSM6 microphysics scheme during the heavy rainfall event caused by the impact of the tropical cyclone, and the WSM6 scheme simulated rainfall more efficiently in the heavy rainfall event due to the vigorous southwest monsoon over Myanmar. Overall, for the three heavy rainfall cases over Myanmar, the BMJ-WSM6 combination was the best in simulating the rainfall aspects. Key words: Myanmar, heavy rainfall, WRF-ARW model, convective parameterization schemes, microphysics schemes.;미얀마는 동남아시아의 남서 몬순 지역의 중심에 위치해 있어, 매년 강우의 영향을 많이 받고 있다. 본 연구의 목적은 2개의 대류모수화 방안 (Kain-Fritsch scheme(KF) 및 Betts-Miller-Janjic scheme (BMJ))과 6 개의 미세물리 방안(Kessler (K), Purdue Lin et al. (Lin), WRF SingleMoment 3-class (WSM3), WRF Single-Moment 6-class (WSM6), New Thompson et al. (Thompson) and Morrison double-moment scheme (Morrison))을 YSU 행성 경계층 체계와 함께 사용하여, 최근 몇 년간 미얀 마에 발생한 세 차례의 호우 사례(2017년 4월 14일 ~ 17일, 2018년 10월 22일, 2019년 7월 20일)에 대해 WRF-ARW 모델의 물리적 무수화 방안의 영향을 조사하는 것이다. 미얀마 기상수문국(DMH)의 일강수량 관측 자료와 12개의 강수량 모 의 결과를 비교하여 WRF-ARW 모델의 강수량 모의에 대한 양적 검증을 평 가하였다. 미국 NCEP의 FNL 자료가 초기 및 경계 조건으로 사용되었다. 모델의 모의 결과를 바탕으로 모델이 미얀마 전역에 호우를 유발하는 다양한 환 경적 요인을 감지했다는 것을 증명할 수 있었다. 벵골만에서 몬순 전 열대성 저기압의 영향으로 발생한 2017년의 호우 사례에서 모의된 결과와 공동태풍 경보센터(JTWC)의 자료를 비교할 때 KF-Morrison 결과와 조합으로 모의 된 열대성 저기압의 경로가 가장 우수했다. 해수면 압력과 풍속을 가장 잘 포 착한 것은 BMJ-WSM3 방안이었다. 일반적인 강수 사례에 대한 강수량 모의에 가장 적합한 조합은 BMJ-WSM3 이지만, BMJ-Morrison 조합은 미얀마의 몬순 전 열대성 저기 압의 영향으로 인한 호우 사례의 강수량을 포착하는 데 가장 적합한 조합이라 는 것을 알 수 있었다. BMJ 대류 모수화 방안은 남서 몬순 기간의 호우 사례 를 가장 잘 모의한 반면, KF 방안은 남중국해의 열대성 저기압의 영향을 받는 호우 사례에 대해 최상의 결과를 보여주었다. 미세물리 방안에 대해서는 WSM6 와 Morrison 방안은 미얀마에서 일어난 호우 사례 기간 동안 상대적 으로 강우량을 잘 모의하였다. 열대성 저기압의 영향에 의해 야기된 호우 사 례에서 Morrison 방안은 WSM6 방안보다 강수량을 더 잘 모의할 수 있었다. 그리고 WSM6 방안은 강력한 남서 몬순으로 인해 발생한 미얀마의 호우 사 례에 대한 강수량을 보다 효율적으로 모의할 수 있다. 전반적으로 미얀마에서 발생한 세 건의 호우 사례에서, BMJ-WSM6의 조합은 강우 양상을 가장 잘 모의하였다. 주요 단어: 미얀마, 폭우, WRF-ARW 모델, 대류, 미세물리 모수화 방안