تحقیقات منابع آب ایران

تحقیقات منابع آب ایران

تعیین مناسب‌ترین طرح‌واره فیزیکی مدل عددی پیش‌بینی WRF و عدم قطعیت ناشی از آن برای شبیه‌سازی بارش‌های سیلابی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری مهندسی منابع آب، گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره،) قزوین، ایران.
2 دانشیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره،) قزوین، ایران.
3 استادیار پژوهشکده مطالعات و تحقیقات منابع آب، مؤسسه تحقیقات آب، وزارت نیرو، تهران، ایران.
چکیده
توصیف دقیق ساختار بارش و پیش‌بینی صحیح و قابل‌اعتماد از مقدار بارندگی به عنوان یکی از ورودی‌های حیاتی برای مدل‌‎سازی و شبیه‌سازی هیدرولوژیکی و هیدرولیکی از اهمیت بالایی برخوردار بوده و بسیار چالش‌برانگیز است. علاوه بر این، انتخاب طرح‌واره‌ها برای سامانه عددی WRF از تأثیر قابل‌توجهی بر نتایج پیش‌بینی برخوردار است. هدف اصلی از انجام این مطالعه حساسیت‌سنجی سامانه عددی WRF نسبت به پارامترسازی فیزیکی بخش‌های همرفت، لایه مرزی و میکروفیزیک و معرفی پیکربندی برتر برای منطقه مطالعاتی و شبیه‌سازی بارش‌های سنگین منتج به سیلاب و همچنین بررسی عملکرد مدل در پیش‌بینی بارش در گام‌های زمانی 6، 12 و 24 ساعته است. از دو دامنه تودرتو با نسبت ریزمقیاس شدن 1 به 3 برای تنظیم مدل WRF استفاده شده است.  نتایج نشان داد که دامنه تغییرات خروجی‌های مدل نسبت به ایجاد تغییر در پیکربندی بخش‌های همرفت و لایه مرزی دارای بیشترین اختلاف در بارش شبیه‌سازی شده نسبت به مقادیر مشاهده‌ای است. بنابراین پارامترسازی فیزیکی مناسب برای بخش‌های همرفت و لایه مرزی از اهمیت بیشتری نسبت به بخش میکروفیزیک برخوردار است. همچنین، ارزیابی عملکرد مدل در گام‌های زمانی مختلف حاکی از آن است که می‌توان از پیش‌بینی‌های این مدل در گام زمانی روزانه با حاشیه اطمینان بالاتری بهره برد. همچنین، در محدوده حوضه پلدختر، پیکربندی متشکل از طرح‌واره‌های WDM5، Grell 3D و Asymmetrical Convective Model v2 برای بخش‌های میکروفیزیک، همرفت و لایه مرزی را می‌توان به عنوان پیکربندی برتر و دارای بهترین کارایی در شبیه‌سازی بارش معرفی نمود. بنابراین برای انجام مطالعات آتی با هدف شبیه‌سازی و پیش‌بینی بارش‌های سنگین و منتج به سیلاب استفاده از پیکربندی مذکور توصیه می‌شود.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Identifying the Optimal Numerical Scheme within the WRF Model for Precipitations Leading to Floods and Its Uncertainties

نویسندگان English

Sakineh Koohi 1
Asghar Azizian 2
Saeid Najafi 3
1 Ph.D. Student, Water Engineering Department., Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran.
2 Associate Professor, Water Engineering Department., Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran.
3 Assistant Professor, Water Resources Research (WRR) Department, Water Research Institute (WRI), Ministry of Energy, Tehran, Iran.
چکیده English

Providing an accurate depiction of precipitation structure and ensuring precise and dependable forecasts of precipitation are crucial, yet considerably challenging, elements for hydrological and hydraulic simulations. Moreover, the selection of schemes within the WRF numerical system significantly influences forecasting outcomes. This research primarily aims to assess the sensitivity of WRF numerical system to the physical parameterization of convection, boundary layer, and microphysics segments. It seeks to identify the optimal configuration for the study area to accurately simulate heavy rainfall events leading to floods and to evaluate the model's performance in predicting rainfall at 6, 12, and 24-hour time steps. The WRF model is established using two nested domains with a scaling ratio of 1 to 3. Findings indicated that alterations in the convection and boundary layer configurations result in the most substantial differences between simulated and observed precipitation. Hence, selecting appropriate physical parameterization for convection and boundary layer outweighs the significance of microphysics. Evaluation across various time steps suggested that the model's daily predictions can be utilized with higher confidence levels. Additionally, for the Poldokhtar basin, the combination of WDM5, Grell 3D, and Asymmetrical Convective Model v2 schemes respectively for microphysics, convection, and boundary layer sections, exhibited superior performance in precipitation simulation. Based on the results, this configuration is advisable for future studies aiming to simulate and predict heavy rainfall-induced floods.

کلیدواژه‌ها English

WRF Numerical System
Physical Parameterization
Precipitation
Uncertainty
Ader H, Mellenbergh G J, Hand D (2008) Advising on research methods: A consultant companion. Johannes van Kessel Advising, 572p
Alizadeh Z, Yazdi J, Najafi M S (2022) Improving the outputs of regional heavy rainfall forecasting models using an adaptive real-time approach. Hydrological Sciences Journal 67(4):550-563
Anderson M L, Chen Z Q, Kavvas M L, Feldman A (2002) Coupling HEC-HMS with atmospheric models for prediction of watershed runoff. Journal of Hydrologic Engineering 7(4):312–318
Cloke H L, Pappenberger F (2009) Ensemble flood forecasting : A review. Journal of Hydrology 375(3):613–626
Dehghani M (2009) Uncertainty analysis of streamflow drought forecasting. M.Sc.Thesis, Islamic Azad University (In Persian)
Deng C, Chi Y, Huang Y, Jiang C, Su L, Lin H, Jiang L, Guan X, Gao L (2023) Sensitivity of WRF multiple parameterization schemes to extreme precipitation event over the poyang lake basin of China. Frontiers in Environmental Science 10(January):1–16
Efron B, Tibshirani R J (1993) An introduction to the bootstrap. Chapman and Hall, 456p
Garcia D W, Reboita M S, Carvalho V S B (2023) Evaluation of WRF performance in simulating an extreme precipitation event over the south of minas gerais, Brazil. Atmosphere 14(8):1276
Gómez M, Mäll M, Aránguiz R (2021) The role of physical parameterization schemes in capturing the characteristics of extratropical cyclones over the south pacific ocean. Earth and Space Science 8(12)
Hyndman R J, Koehler A B (2006) Another look at measures of forecast accuracy. International Journal of Forecasting 22(4):679–688
Jankov I, Grasso L D, Senguota M J, Neiman P, Zupanski D, Zupanski M, Lindsey D, Hillger D W, Birkenheuer D L, Yuan H (2011) An evaluation of five ARW-WRF microphysics schemes using synthetic GOES imagery for an atmospheric river event affecting the California coast. Journal of Hydrometeorology 12:618–633
Kaewmesri P, Humphries U, Sooktawee S (2017) Simulation on high-resolution WRF model for an extreme rainfall event over the southern part of Thailand. International Journal of Advanced and Applied Sciences 4(9):26–34
Khansalari S, Fatahi E, Oskouei E A, Rahnama M (2021) Heavy precipitation forecasting and warning system in the Chaldoran basin. Journal of Meteorology and Atmospheric Sciences 4(1):15–29 (In Persian)
Madala S, Satyanarayana A N V, Rao T N (2014) Performance evaluation of PBL and cumulus parameterization schemes of WRF ARW model in simulating severe thunderstorm events over Gadanki MST radar facility-case study. Atmospheric Research 139:1–17
Mekawy M, Saber M, Mekhaimar S A, Zakey A S, Robaa S M, Abdel Wahab M (2023) Evaluation of WRF microphysics schemes performance forced by reanalysis and satellite-based precipitation datasets for early warning system of extreme storms in hyper erid Environment. Climate 11(1):8
Michalakes J, Chen S, Dudhia J, Hart L, Klemp J, Middlecoff J, Skamarock W (2001) Development of a next generation regional weather research and forecast model. In: Developments In Teracomputing, World Scientific Publishing Co Pte Ltd,384p
Moradi S, Javanmard S, Ghader S, Azadi M, Gharaylou M (2020) The most effective scheme in improving the performance of the WRF model for precipitation over northwest Iran (a case study: 4/1/2015). Journal of Meteorology and Atmospheric Sciences 3(3):188–200 (In Persian)
Moradian F, Ghader S, Rezazadeh M (2020) Evaluation of a WRF model multi-physics ensemble forecasting system for simulation of precipitation over central region of Iran. Iranian Journal of Geophysics 14(1):13-38 (In Persian)
Najafi M S, Imani S, Kuchak V S (2023) Assessing the impacts of physical parametrization of the WRF model in the simulation flood-inducing rainfall in arid and semi-arid areas (case study: Isfahan province). Iran-Water Resources Research 19(5):62-82 (In Persian)
NDMO (2018) Post disaster needs assessment (PDNA) Iran 2019 floods in Lorestan, Khuzestan and Golestan provinces. 266p (In Persian)
Panofsky H A, Brier G W (1965) Some applications of statistics to meteorology. Earth and Mineral Sciences Continuing Education, College of Earth and Mineral Sciences, 235p
Pearson K (1896) Mathematical contributions to the theory of evolution on a form of spurious correlation which may arise when indices are used in the measurement of organs. Proceedings of the Royal Society of London 60:489–498
Pennelly C, Reuter G, Flesch T (2014) Verification of the WRF model for simulating heavy precipitation in Alberta. Atmospheric 135:172–179
Rincon D, Velandia J F, Tsanis I, Khan U T (2022) Stochastic flood risk assessment under climate change scenarios for Toronto , Canada using CAPRA. Water 14(2)
Samal N, Jha S K (2022) Bias correction of WRF output for operational avalanche forecasting in the Indian Himalayan region. Journal of Earth System Science 131(156)
Skamarock W C, Klemp J B, Dudhia J, Gill D O, Barker D M, Wang W, Powers G J (2005) A description of the advanced research WRF. Version 2, NCAR Tech, Note NCAR/TN-4681STR, 165p
Stanski H R, Wilson L J, Burrows W R (1989) Survey of common verification methods in meteorology (2nd ed.). World Meteorological Organization, 18p
Tomasella J, Gonçalves A S, Falck A S, Caram R O, Diniz F L R, Rodriguez D A, Prado M C R, Negrão A C, Medeiros G S, Siquiera G C (2018) Probabilistic flood forecasting in the Doce basin in Brazil: effects of the basin scale and orientation and the spatial distribution of rainfall. Journal of Flood Risk Management 12(1)
Trenberth K E (1992) Climate system modeling. Cambridge University Press, 820p
Umer Y, Ettema J, Jetten V, Steeneveld G J, Ronda R (2021) Evaluation of the WRF model to simulate a high-intensity rainfall event over kampala, uganda. Water (Switzerland) 13(6)
Van Cooten S, Elmore K L, Barbe D E, McCorquodale J A, Reed D J (2009) A statistical methodology to discover precipitation microclimates in southeast Louisiana: Implications for Coastal watersheds. Journal of Hydrometeorology 10(5):1184–1202
Vemuri A, Munters W, Buckingham S, Helsen J, Beeck J Van (2022) Modeling extreme weather events for offshore wind in the north sea: A sensitivity analysis to physics parameterizations in WRF. Journal of Physics: Conference Series 2265(2)
 Yazdanpanah Gharaei F, Pourreza Bilondi M, Mianabadi A, Babaei M, Imani Amirabad S (2023) Evaluation of rainfall simulation using WRF/WRF-Hydro model (case study: Abol-Abbas basin). Advanced Technologies in Water Efficiency 2(4):1–14 (In Persian)

  • تاریخ دریافت 01 اردیبهشت 1403
  • تاریخ بازنگری 07 آبان 1403
  • تاریخ پذیرش 08 آبان 1403