Abstract:

In this study, an object-based verification method was used to reveal the existence of systematic errors in three satellite precipitation products: Tropical Rainfall Measurement Mission (TRMM), Climate Prediction Center Morphing Technique (CMORPH), and Precipitation Estimation from Remotely Sensed Information Using Artificial Neural Networks (PERSIANN). Mesoscale convective systems (MCSs) for the austral summer 2002–2003 in the La Plata river basin, southeastern South America, were analyzed with the Contiguous Rain Area (CRA) method. Errors in storms intensity, volume, and spatial location were evaluated. A macroscale hydrological model was used to assess the impact of spatially shifted precipitation on streamflows simulations. PERSIANN underestimated the observed average rainfall rate and maximum rainfall consistent with the detection of storm areas systematically larger than observed. CMORPH overestimated the average rainfall rate while the maximum rainfall was slightly underestimated. TRMM average rainfall rate and rainfall volume correlated extremely well with ground observations whereas the maximum rainfall was systematically overestimated suggesting deficiencies in the bias correction procedure to filter noisy measurements. The preferential direction of error displacement in satellite-estimated MCSs was in the east-west direction for CMORPH and TRMM. Discrepancies in the fine structure of the storms dominated the error decomposition of all satellite products. Errors in the spatial location of the systems influenced the magnitude of simulated peaks but did not have a significant impact on the timing indicating that the system's response to precipitation was mitigating the effect of the errors.

Author affiliation: Demaria, E. M. C.. University Of Arizona; Estados Unidos

Author affiliation: Rodriguez, D. A.. Centro de Previsao de Tempo e Estudos Climaticos. Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais; Brasil

Author affiliation: Ebert, E. E.. Centre for Australian Weather and Climate Research; Australia

Author affiliation: Salio, Paola Veronica. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Centro de Investigaciones del Mar y la Atmosfera. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Centro de Investigaciones del Mar y la Atmosfera; Argentina

Author affiliation: Su, F.. University of Washington; Estados Unidos

Author affiliation: Valdes, J. B.. University Of Arizona; Estados Unidos

Abstract:

Este trabajo consiste, fundamentalmente, en la adaptación de un modelo regional (el LAHM/GFDL versión CIMA) para ser utilizado en la simulación y/o pronóstico de precipitaciones intensas en latitudes medias y subtropicales de América del Sur. Con tal fin, se eligieron cuatro sistemas productores de abundante lluvia sobre el territorio argentino. Tres de las situaciones se caracterizan por ser sistemas convectivos en mesoescala (una línea de inestabilidad y dos complejos convectivos de mesoescala que ocurrieron de manera sucesiva), y el principal interés de modelarlos radicó en la dificultad que presenta la identificación de patrones de escala menor a la sinóptica, que es la única que resuelven los modelos de circulación general disponibles en nuestros centros de pronóstico. El otro sistema elegido es un ciclón que se desarrolló sobre el litoral argentino, en donde se intensificó de manera abrupta, produciendo precipitaciones muy abundantes en esa región, conjuntamente con la ocurrencia de una violenta sudestada sobre el Río de la Plata. Si bien la escala de este fenómeno es mayor a la de los anteriores, su ocurrencia tampoco fue pronosticada por los modelos de circulación general, lo cual indicaría que algunos aspectos dinámicos y/o termodinámicos del sistema no pudieron ser capturados por los modelos de menor resolución. Si bien el modelo regional elegido había sido utilizado previamente en nuestra región (y también en Estados Unidos), el trabajo de adaptación se dirigió a posibilitar su correcto funcionamiento con mayores resoluciones (i.e. 40 km aproximadamente) que las que utilizaba anteriormente (i.e. 100 km). De hecho, las primeras experiencias indicaron que la simulación de la precipitación con el modelo en su forma original era completamente inexacta en términos de posicionamiento e intensidad de los centros de lluvia. Para lograr el fin propuesto, se incluyó una parametrización de la difusión vertical de primer orden, que funcionara en toda la troposfera, con un coeficiente de viscosidad turbulenta que dependiera de la inestabilidad en cada punto, a través del número de Richardson. Se realizaron gran cantidad de experiencias con el objeto de ajustar los distintos par metros intervinientes en esa formulación. Además se adoptó la técnica de anidado telescópico para minimizar el impacto por el cambio abrupto de resolución entre los datos iniciales y el intervalo de retículo del modelo. La ventaja de este modo de trabajo es, no sólo que es el recomendado por todos los especialistas en modelado numérico para la inicialización y la provisión de condiciones de contorno en modelos en alta resolución, sino que además el modelo queda preparado para ser anidado a modelos de circulación general, que se caracterizan por su baja resolución. La sensibilidad del modelo a la nueva parametrización de la difusión vertical fue muy grande. La simulación de la precipitación obtenida con el esquema de Arakawa y Schubert combinado con el tratamiento difusivo propuesto, mejoró considerablemente, tanto en intensidad como en ubicación de los sistemas. Este resultado indicó la necesidad de trabajar con las modificaciones propuestas en las escalas de interés de este trabajo, deshechándose el tratamiento original. Este nuevo modo de utilización del modelo (anidado telescópico, nueva parametrización de la difusión vertical y esquema de Arakawa y Schubert) se denominó "control". Todas las situaciones sinópticas fueron modeladas satisfactoriamente mediante la experiencia control con una antelación de 24 a 48 horas, si bien se detectaron algunos problemas en cuanto a la ubicación exacta de los sistemas y una cierta tendencia a subestimar su intensidad. Los campos de precipitación se capturaron razonablemente bien, aunque se detectó una leve sobreestimación en algunos centros. Con el propósito de evaluar la sensibilidad del modelo a un cambio de parametrización de la convección, se adaptó un tratamiento explícito de la convección, cuya mayor ventaja sobre Arakawa y Schubert reside en la simplicidad; en que, a medida que se aumenta la resolución no presenta restricciones a su uso y a que incluye una ecuación de pronóstico extra que es la de contenido de agua de nube. La sensibilidad al cambio en el tratamiento de la convección fue leve, y la precipitación acumulada (que fue el campo m s afectado) mostró una cierta mejora. Ese resultado, conjuntamente con la obtención del campo nuboso, que se comparó satisfactoriamente con las imágenes satelitales, permiten recomendar la utilización de este tratamiento para la simulación de sistemas precipitantes sobre nuestro territorio. También se evaluó la posibilidad de mejorar el tratamiento explícito, por medio de la inclusión de un factor, denominado fracción nubosa (CF), que modulara el término de la condensación mediante alguna función sencilla que representara la estructura vertical de la nubosidad esperable en las escalas modeladas. Su inclusión se testeó para todas las situaciones sinópticas, no encontrándose una respuesta significativa en ningún caso, aunque sí una pequeña tendencia a disminuir la tasa de precipitación. Para descartar que la escasa sensibilidad se debiera a la pobre resolución vertical utilizada en todos los experimentos, se aumentó la resolución de 9 a 18 niveles, lo cual permitió corroborar que el modelo no es sensible a este factor, aún trabajando con mayor resolución en la vertical. Se considera que el trabajo realizado contribuye, fundamentalmente a la disponibilidad de un modelo apto para la realización de simulaciones y/o pronósticos en alta resolución sobre una región complicada para el modelado numérico por su compleja topografía. Lo antedicho es particulamente importante a la hora de estudiar sistemas de mesoescala que virtualmente no son representados por los análisis y/o los datos disponibles. Los experimentos realizados, en tanto que someten al modelo a casos extremos en cuanto a la severidad de las condiciones de tiempo asociados a los mismos, permiten concluir que el rendimiento es satisfactorio, aún en la representación del campo de precipitación. También se ha trabajado de manera tal de mantener el costo computacional en valores razonables para que se pueda transferir a potenciales usuarios de pronósticos a corto plazo. En cuanto a otros fines, se destaca que el modelo se encuentra también preparado para ser anidado a un modelo de circulación general, con lo cual se abre la posibilidad al modelado climático regional, que es una alternativa particularmente interesante sobre nuestro territorio, que, como se mencionara anteriormente, presenta singularidades que no pueden capturarse con un modelo de baja resolución.

This work is mainly concerned with the modification of a regional model (the LAHM/GFDL, CIMA version) in order to be able to simulate and/or forecast heavy precipitation events over South American mid and subtropical latitudes. Four different situations, all associated with heavy precipitations over Argentina, were chosen. Three of them are mesoscale convective systems (a squall line and two mesoscale convective complexes), and the main reason of this choice was the inability of models with lower resolution to capture features like these. The other situation consisted on an explosive cyclogenesis over western Argentina, which produced heavy rains and a very strong south-east gale in the Rio de la Plata. Although this system belongs to a greater spatial scale than the others, it couldn't also be forecasted by general circulation models, indicating that some of its dynamical or thermodynamical features where not correctly handled by those models. Though the LAHMIGFDL model had been previously used over this region (and over the United States also), the main task was to adjust it in order to perform simulations with higher resolutions (i.e. 40 km) than the ones used before (100 km approximately). To accomplish this, a new vertical diffusion scheme (with first order closure) was included, with diffusivity coefficients specified as function of Richardson number. The telescoping nesting technique was also adopted, in order to reduce the impact of a sudden change in resolution, from synoptic scale information (2.5º grid interval) to mesoscale simulation (0.5º grid interval). The model showed great sensitivity to the inclusion of the new eddy viscosity treatment. The precipitation fields obtained using this scheme combined with the Arakawa and Schubert (from now on AS) cumulus parameterization scheme (called "control"), were better than those obtained before. This result showed the necessity of adopting this vertical diffusion parameterization for experiments with resolutions greater than 80 krn. Control experiments, were successful for all of the selected situations, within 24 to 48 hours in advance, though some misplacement of maximum activity and/or intensity centers were detected. Precipitation fields were reasonably good captured, with a slight trend to overprediction. Another goal of this work was to test the model's sensitivity to different convective parameterizations. With this purpose, an explicit convective treatment was implemented and then compared with Arakawa and Schubert scheme. Explicit treatment's main advantages are its simplicity and the fact that it includes an extra prognostic equation for cloud water. The sensitivity to these alternative approaches was small, and mainly noticeable in precipitation fields, where a slight improvement was found. This result together with the fair agreement between simulated and observed cloud patterns, suggest that this treatment is adequate to simulate heavy precipitation events over our region. The feasibility of improving the explicit treatment by inclding a cloud fraction (CF) was also analyzed. This CF was designed in order to control condensation by means of an idealized cloud profile, suitable for the resolved scales. Nevertheless, almost no sensitivity was found, even when vertical resolution was doubled. It is believed that this work contributes significantly to the availability of a model suitable to execute high resolution simulations and/or forecasts over a particularly complicated region because of its steep topography. This is still more true considering that mesoscale systems, which are not captured by standard analyses, are being correctly reproduced. All of the experiments, while testing the model under very complex situations, associated with heavy precipitation, allow to conclude that the model performance is satisfactory, even in the representation of precipitation. It must be also emphasized that the modifications have been designed keeping in mind the question of suitability in terms of computational and data requirements to allow the use of this model in our country. Finally, another highlight of this latest model's version is its plausible use nested in a General Circulation Model, which is the first step to perform Regional Climate Simulations over Argentina.

Author affiliation: Saulo, Andrea Celeste. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.

Abstract:

El objetivo de esta tesis es el caracterizar el ambiente en el que se desarrollan los sistemas convectivos en el sudeste de América del Sur. Para ello se procedió a seleccionar aquellas situaciones que hubieran producido una precipitación superior a los 120 mm en al menos una estación pluviométrica del territorio argentino durante los meses de octubre a abril del período 1988/1993. Estos eventos representan casos extremos de precipitación, por lo que su estudio es fundamental por su alto impacto en las actividades socioeconómicas de la región y representan un desafio para el pronóstico a corto plazo de la convección y de la ocurrencia de fenómenos severos asociados. A fin de identificar y seguir la evolución temporal de los mesosistemas que habían generado los eventos incluidos en la muestra, se utilizaron las temperaturas de los topes de nubes, información disponible en la base de datos ISCCP-DX (International Satellite Cloud Climatology Project). El procesamiento de esta información se llevó a cabo con un conjunto de programas computacionales desarrollados en la Divisao de Ciéncias Atmosféricas (ACA) del Instituto de Aeronáutica e Espaco (IAE), Brasil. Las distintas etapas evolutivas de los mesosistemas (inicio, madurez y disipación) fueron definidas de acuerdo al área encerrada por la isoterma de —218K. Se procedió luego a realizar la composición de los campos de las variables dinámicas y termodinámicas correspondientes a las situaciones seleccionadas en cada una de estas etapas, utilizando para ello los reanálisis del European Centre for Medium-Range Weather Forecasts. Los resultados obtenidos muestran que los mesosistemas estudiados tienden a originarse en el faldeo oriental de la Cordillera de los Andes, al norte de los 40°S, desplazándose luego hacia el este. Tanto su duración media (17.5 horas), como las dimensiones que alcanzan en su madurez (504000 km2), exceden ampliamente los valores reportados para los complejos convectivos de mesoescala norteamericanos. Asimismo, al igual que en trabajos previos, se observa el carácter preferentemente nocturno de la actividad convectiva. Debe destacarse que el 81% de los casos incluidos en la muestra analizada correspondieron a eventos Chaco Jet en alguna de las etapas de evolución del mesosistema. La fuerte señal sinóptica que caracteriza a estos eventos y controla a los mecanismos forzantes de la convección se reconoce en los campos producidos por la técnica de composición. Por su parte, los mesosistemas convectivos son efectivos en perturbar localmente la atmósfera. La notable dimensión de los mismos permite caracterizar la estructura vertical de los movimientos verticales, la divergencia y la vorticidad relativa en la escala del mismo mesosistema durante su etapa madura, poniendo de manifiesto su carácter predominantemente convectivo. Se pone de relieve la importancia de la corriente en chorro en capas bajas como forzante de la actividad convectiva en el norte y centro de nuestro país, debido a su aporte fundamental a la advección de aire cálido y húmedo, y a la convergencia de flujo de humedad que se origina en la parte delantera del mismo. Esta importancia se hace más evidente si se tiene en cuenta que la disipación de los sistemas se produce cuando la corriente en chorro en capas bajas se debilita y, consecuentemente, se debilita también la convergencia de flujo de humedad, principal sustento de la actividad convectiva. Finalmente, el análisis de un caso individual confirma esta conclusión, y pone de manifiesto que, si bien el forzante sinóptico es fundamental, una vez desarrollado el sistema su ciclo de vida está controlado por el respectivo ciclo de vida de la corriente en chorro en capas bajas.

The goal of this Thesis is to characterize the environment that supports mesoscale convective systems (MCSs) over southeastem South America. In order to achieve this goal, particular situations have been selected during which heavy precipitation (higher than 120 mm) has occurred at least at one of the stations of the Argentina raingauge network during the October to April 1988/1993 period. To study these extreme precipitation cases is crucial because of their high impact in the regional socioeconomic activities. Therefore, the short-term forecast of the organized convection as well as of the occurrence of related severe weather over Argentina represent a worthwhile challenge. In order to identify and track the life cycle of the MCSs responsible for the events included in the heavy precipitation sample, cloud-top temperatures have been used. This information is available in the ISCCP-DX (International Satellite Cloud Climatology Project) satellite database. The data processing has been performed using software developed at the Divisao de Ciéncias Atmosféricas (ACA), Instituto de Aeronáutica e Espaco (IAE), Brazil. Different stages in the mesoscale systems evolution (initiation, maturity and dissipation) have been defined according to the area enclosed by the -218 K isotherm. After this procedure, the thermodynamic and dynamic fields corresponding to the selected events have been composited using the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts reanalyses. The results show that the studied MCSs have a tendency to originate in the eastern Andes slopes, northward of 40°S, moving eastward. Both their average lifetime (17.5 hours) and their size at maturity (504000 km2) largely exceed the magnitudes that characterize the North American mesoscale convective complexes (MCCs). Besides, the MCS composite behavior exhibits a nocturnal phase already described in previous researches. It is noteworthy that 81% of the MCSs cases included in the sample have at least one of their lifetime stages occurring during Chaco low-level jet events. The strong synoptic signal that characterizes these events and modulates the forcing mechanisms of convective outbreaks is also evident in the fields produced by the composite technique. In turn, the MCSs are effective in locally perturbing the atmosphere. Their remarkable size afford the characterization of the vertical structure of the vertical motion, divergence and relative vorticity in the same convective system scale during their maturity, and demonstrate their mainly active convection character. The results also highlights the importance of the low-level jet (LLJ) as a convective forcing particularly over northern and central Argentina given its role in effecting warm and humid advection and because of the water vapor flux convergence that occurs downstream its core. This relationship is still more evident as the results demonstrate that the system decay occurs at the same time as the LLJ weakening and consequently in phase with the decay of the moisture flux convergence that is the main source of the convective activity. This is more clearly shown in the individual case analysis and confirms that even if the synoptic forcing is fundamental for triggering the MCS, once it develops its lifecycle is controlled by the respective LLJ lifecycle.

Author affiliation: Torres, Juan Carlos. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.

Abstract:

El objetivo de esta tesis es desarrollar y aplicar un algoritmo automático para el seguimiento de las características físicas de los Sistemas Convectivos de Mesoescala (SCM) a través de todo su ciclo de vida, usando inforrnación de los canales térmicos (10.8 pm) de los satélites geoestacionarios. Los aspectos principales de este sistema son los siguientes: (1) un método de detección de nubes convectivas basado en un umbral de temperatura (235 K); (2) cálculo de parámetros morfológicos y radiactivos de cada SCM detectado en el paso anterior; (3) un algoritmo de seguimiento basado en la superposición de áreas entre imágenes sucesivas; (4) construcción del ciclo de vida de cada SCM y (5) la generación de imágenes virtuales sobre la base de la evolución de los SCM en pasos de tiempo anteriores. Esta metodología ha sido aplicada a un conjunto de imágenes de satélite sobre el sudeste de Sudamérica que corresponden a los meses de diciembre, enero y febrero de los años 2000- 2001, 2001-2002 y 2002-2003. Los resultados de los diferentes análisis muestran una diferencia significativa entre aquellos SCM que desarrollaron topes fríos (valores de temperatura mínima por debajo de los 210 K) a lo largo de su ciclo de vida y aquellos que no lo hicieron. Mientras que los que no desarrollan topes fríos estarían asociados, en términos medios, a SCM pequeños y de corta duración (efectos termo-orográficos), aquellos que llegan a desarrollar topes suficientemente fríos, estarían relacionados con fenómenos termodinámicos de una escala mayor. No obstante, en promedio, se observa una característica común en todos los SCM estudiados, independientemente de la temperatura mínima que estos pudieron alcanzar a lo largo de su ciclo de vida: la influencia de ciclo solar sobre la convección. El mínimo de actividad convectiva (definida como la cantidad media de pixeles definidos por la isoterrna de 235 K) se produce sobre el final de la tarde acompañado por un decrecimiento de la temperatura de los topes nubosos. Además, es durante el horario de la mayor insolaci6n que se obsewan 10s mayores valores de la tasa de expansión de los SCM a lo largo del dia. Para el periodo diciembre 2002 - febrero 2003, se seleccionaron aquellos SCM asociados con precipitaciones intensas y extendidas sobre dos regiones seleccionadas en la cuenca del Plata. Los resultados obtenidos a través de este análisis muestran que: (1) las precipitaciones intensas y extendidas están relacionadas con mínimos de temperatura de brillo observadas por satélite; (2) de acuerdo con la distribución de frecuencias, los SCM asociados con precipitaciones intensas y extendidas alcanzan los mayores tamaños y (3) los máxlmos valores observados en la intensidad de los procesos de expansión y enfriamiento que experimentan los SCM durante la primeras etapas de su ciclo de vida están relacionados con estos eventos. A partir del análisis del entorno de gran escala asociado a los SCM que produjeron precipitaciones intensas y/o extendidas identificados anteriormente en el momento de su máxima extensión (maduración), se observa la presencia de una zona frontal al sudoeste de ambas regiones de estudio, el giro de viento en sentido anticiclónico con la altura (advección cálida) y la presencia de una fuerte advección de humedad en capas bajas. Dentro de estas características comunes, también se puede observar un movimiento de ascenso en niveles medios de la atmósfera (expresado como valores negativos de la velocidad vertical ω en 500 hPa) y una fuerte divergencia en el nivel de 200 hPa. El estudio de dos eventos particulares muestra un cierto grado de consistencia con los resultados expresados anteriorrnente: el crecimiento de los SCM hasta la maduración (máxima extensión) ocurre durante las horas de la tarde para luego comenzar un proceso de disipación en fragmentos. En ambos casos, se observa que a partir de alguno de estos sistemas en disipación se produce un regeneramiento durante la madrugada siguiente. Por otro lado, existe una buena correlación entre la temperatura de brillo observada y los fenómenos de tiempo significativo observado en algunas estaciones meteorológicas, sin embargo la relación entre precipitación acumulada y temperatura de brillo no es unívoca.

The goal of this thesis is to develop and apply an algorithm for tracking the physical characteristic of mesoscale convective systems (hereafter MCS's) through its whole life cyde using the thermal channel (1 0.8 pm) of geostationary satellites. The main features of this software are the following: (1) the cloud cluster detection method is based on a threshold temperature (235 K); (2) the evaluation of morphological and radiative parameters of each MCS's detected in the previous step; (3) the tracking technique based on overlapping ateas between successive images; (4) the construction of the lie cycle of each MCS and (5) the virtual image generation based on the evolution of the MCS in previous steps. This methodology was applied to satellite images dataset covering the southeastern South America for December, January and February of 2000-2001, 2001-2002 and 2002-2003. The results show a significant difference between the group of MCS's that can develop cold tops (brightness temperature below 210 K) and those who can't. While the MCS's with no cold tops are associated, in general, with little and short lasting MCS's (thermo - orographics effects), those with cold tops would be related with larger scale effects. Nevertheless, in average, there is a common feature for all MCS independently of their minimum temperature during their life cycle: the influence of solar cycle on convection. The greatest convective activity (defined as the mean number of pixels below 235 K of whole dataset) is during the afternoon, accompanied by a cooling process of cold tops. During the maximum insolation time, is observed the maximum expansion rate of MCS's along the diurnal cycle. Considering the period December 2002 - February 2003 only those MCS's associated with heavy and wide extended precipitation over two regions of Del Plata basin were selected. The results of this analysis show that: (1) heavy and widely extended rainfall is related to minimum brightness temperature; (2) according to frequency distribution, those MCS's associated with rainfall reach larger extension than the other MCS's; (3) the greatest magnitude of expansion and cooling rate is related with those patiilar events. The analysis of large scale environment associated with those MCS's previously identified for both regions during the maximum extent period (mature) show the exktence of a frontal zone over the southwestern of each region, an ankyclonic veering with height (warm advection) and moist air advection in the lower levels of the atmosphere. Among these common features, an upward motion in the 500 hPa level and a strong divergence in upper levels of the troposphere (200 hPa) can be detected. The study of two particular events shows some degree of consistency with previous results: the growth of MCS's during the afternoon followed for the dissipation into fragments. In both cases, a regeneration process can be observed in some of the existing MCS during the following dawn. In addition, it was found a good correlation between brightness temperature and significant weather over meteorological stations. Nevertheless, the relationship between accumulated rainfall and brightness temperature is not univoque.

Author affiliation: Vila, Daniel Alejandro. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.