Regional precipitation estimations in Central America using the Weather Research and Forecast model

Abstract

Using the regional climate model WRF, and the NCEP-NCAR Reanalysis Project data as boundary and initial conditions, regional precipitation for Central America was estimated by means of the dynamical downscaling technique for two selected periods: January 2000 and September 2007. Four-nested domains, d01, d02, d03 and d04 with a grid-resolution of 90 km, 30 km, 10 km, and 3.3 km respectively, were configured over this region. The runs were reinitialized every 5 days with 6 h of spin-up time for adjustment of the model. A total of eight experiments (four per month) were tested in order to study: a) two important Cumulus Parameterization Schemes (CPS): Kain-Fritsch (KF) and Grell-Devenyi (GD); and b) the physical interaction between nested domains (one- and two-way nesting), during each simulated month. The modeled precipitation was in agreement with observations for January 2000, and also captured the mean climate features of rainfall concerning magnitude, and spatial distribution, such as the particular precipitation contrast between the Pacific and the Caribbean coast. Outputs of the coarse domains (d01, d02, and d03) for September 2007 revealed differences between experiments within the domains when a visual comparison of the spatial distribution was made. However, for the inner grid (d04), all the experiments, showed a similar spatial distribution and magnitude estimation, mainly in those runs using one-way nesting configuration. The results for the month of September differed substantially with the observations, which could be related to associated deficiencies in the boundary condition that do not reproduce well the transition periods from warm to cold ENSO episodes for the selected periods of study. In all the experiments, the KF scheme calculated more precipitation than the GD scheme and it was associated to the ability of the GD scheme to reproduce spotty but intense rainfall, and apparently, this scheme was reluctant to activate, showing frequent events of low intensity rain. However, when rainfall did develop, it was very intense. Also, the time series did not replicate specific precipitation events. Thus, the 5-days integration period used in this study was not enough to reproduce short-period precipitation events. Finally, physical interaction issues between the nested domains were reflected in discontinuities in the precipitation field, which have been associated with mass field adjustment in the CPS. Rev. Biol. Trop. 66(Suppl. 1): S231-S254. Epub 2018 April 01.

Utilizando el modelo climático regional WRF y los datos del Proyecto de Reanálisis del NCEP-NCAR como condiciones iniciales y de frontera, se estimó la precipitación regional para Centroamérica mediante la técnica de reducción dinámica para dos períodos seleccionados, enero de 2000 y septiembre de 2007. Cuatro dominios anidados se configuraron en esta región, d01, d02, d03 y d04 con resoluciones de 90 km, 30 km, 10 km y 3.3 km respectivamente. Las simulaciones se reinicializaron cada 5 días con 6 horas de tiempo de ajuste del modelo. Un total de 8 experimentos (4 por mes) fueron probados con el fin de estudiar: a) dos importantes Esquemas de Parametrización de Cumulus: Kain-Fritsch (KF) y Grell-Devenyi (GD); y b) la interacción física entre dominios anidados (respuesta de un y doble sentido), durante cada mes simulado. En enero de 2000 los resultados mostraron que la precipitación modelada está de acuerdo con las observaciones y también capturó las características climáticas de la precipitación respecto a la magnitud y la distribución espacial, como el contraste de precipitación particular entre la costa del Pacífico y el Caribe. Los resultados de septiembre de 2007 revelaron diferencias significativas cuando se hace una comparación visual con la distribución espacial de cada dominio grueso (d01, d02 y d03) con su dominio respectivo en cada experimento. Sin embargo, los dominios d04 de todos los experimentos mostraron una distribución espacial y una estimación de magnitud similares, principalmente en aquellas series que usan una configuración de anidamiento unidireccional. Por otra parte, los resultados de este mes difieren sustancialmente con las observaciones, y este último podría estar relacionado con deficiencias asociadas en la condición de frontera que no reproducen bien los períodos de transición de los episodios de cálido a frío del ENOS. Además, en todos los experimentos, el esquema KF calculó más precipitación que el esquema GD y está asociado a la capacidad del esquema GD para reproducir lluvias irregulares pero intensas, y aparentemente este esquema es reacio a activarse, produciendo lluvia con poca frecuencia o ninguna. Sin embargo, cuando la lluvia se desarrolla, es muy intensa. Además, las series de tiempo no replican eventos de precipitación específicos, por lo tanto, el período de integración de 5 días usado en este estudio, no es suficiente para reproducir eventos de precipitación a corto plazo. Por último, los problemas de interacción física entre los dominios anidados se reflejan en las discontinuidades en el campo de precipitación, que se han asociado con el ajuste del campo de masa en el CPS.