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Scale-dependent analyses of precipitation forecasts and cloud properties using the Dynamic State Index

Claussnitzer, Antje Névir; Langer, Ines; Reimer, Eberhard; Cubasch, Ulrich

Meteorologische Zeitschrift Vol. 17 No. 6 (2008), p. 813 - 825

published: Dec 9, 2008

DOI: 10.1127/0941-2948/2008/0346

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Abstract

The objective of this study is a scale-dependent analysis of precipitation forecasts of the German Weather Service's (DWD) non-hydrostatic Lokal-Modell (LM, COSMO-DE) with regard to dynamical-statistical parameters and cloud properties. We propose a newly designed Dynamic State Index (DSI) to evaluate precipitation processes. The DSI is presented in the context of a case study in the synoptic scale and in a statistical approach. The DSI quantitatively describes the deviation from a stationary, adiabatic and reversible solution of the primitive equations. As demonstrated by the example of the winter storm "Kyrill", the analysis of the vertical structure of the DSI gives a relation to the IPV-Thinking, introduced by Hoskins et al. (1985). Furthermore, the DSI-pattern features the characteristic filament-like structure of rainbands with embedded convective cells. In a next step the DSI is not only correlated with modelled precipitation but also with observed precipitation as well as cloud types. The absolute value of the DSI shows moderate correlations with hourly LM and high correlations with hourly COSMO-DE forecast data, based on 24 hour predictions. The statistical analysis of clouds with the index reveals a DSI-threshold, which is used to introduce a novel precipitation activity index of different cloud classes. In conclusion, the results highlight the importance of dynamical processes for the generation of rainfall.

Kurzfassung

Das Ziel dieses Artikels ist eine skalenabhängige Analyse von Niederschlagsprognosen der nichthydrostatischen DWD-Modelle (LM, COSMO-DE) bezüglich dynamisch-statistischer Parameter sowie der Wolkeneigenschaften. Ein neu entwickelter Dynamischer Zustandsindex (Dynamic State Index; DSI) wird verwendet, um Niederschlagsprozesse im Rahmen einer synoptischen Fallstudie und im statistischen Kontext zu evaluieren. Der DSI beschreibt quantitativ die Abweichung von einer stationären, adiabatischen und reversiblen Lösung der primitiven Gleichungen. Anhand des Orkans Kyrill konnte gezeigt werden, dass die Analyse der Vertikalstruktur des DSI in Beziehung steht zum isentropen PV-Denken von Hoskins et al. (1985). Darüber hinaus weisen die DSI-Muster die charakteristische filamentartige Struktur der Regenbänder mit eingebetteten Konvektionszellen auf. Als ein nächster Schritt wird der DSI nicht nur mit dem Modellniederschlag, sondern auch mit dem beobachteten Regen und den Wolken korreliert. Der Absolutbetrag des DSI zeigt mittlere Korrelationen mit den stündlichen Feldern aus 24-stündigen LM-Niederschlagsvorhersagen und hohe Korrelationen mit den COSMO-DE Vorhersagen. Die statistische Analyse der Wolken mit dem Index definiert einen DSI-Schwellwert, mit dem ein neuer Niederschlagsaktivitätsindex für verschiedene Wolkenklassen eingeführt werden kann. Insgesamt betonen diese Ergebnisse die Wichtigkeit der dynamischen Prozesse bei der Niederschlagsbildung.