Study of the operational potential and limits of current high-resolution numerical weather prediction for the Pukkelpop storm

Pieter

De Meutter

De voorspelbaarheid van de Pukkelpopstorm

De ramp tijdens het Pukkelpopfestival van 2011 ligt al een tijdje achter ons, maar de hevigheid en de gevolgen van die storm waren dermate groot, dat er nog steeds onderzoek wordt gevoerd naar de meteorologische condities van die gebeurtenis. In deze scriptie werd onderzocht in hoeverre het mogelijk is de Pukkelpopstorm te voorspellen met de huidige weermodellen. Modellen kunnen het onweer goed simuleren, maar het lokale karakter van de storm vormt nog een uitdaging voor de weermodellen.

Op 18 augustus 2011 trokken verscheidene onweersbuien over ons land. Het noodweer maakte vijf slachtoffers en ruim 140 gewonden, en veroorzaakte een enorme materiële schade. Gezien de grote impact is het belangrijk om de huidige wetenschappelijke inzichten zo goed mogelijk aan te wenden en onderbouwde waarschuwingen aan de bevolking mee te delen. Die waarschuwingen komen tot stand aan de hand van numerieke weermodellen.

Een weermodel simuleert het gedrag van de atmosfeer en berekent de toestand van de atmosfeer, nl. het weer, stap voor stap voor de komende dagen. De ene weersituatie is al wat moeilijker te voorspellen dan de andere. Zo is het voor een state-of-the-art weermodel zeer moeilijk om het precieze moment en de juiste plaats van een onweer correct te voorspellen: in een onweerswolk spelen zich namelijk allerlei processen af, die vaak te klein zijn om door het model in al hun details gesimuleerd te kunnen worden. Een weermodel heeft een bepaalde resolutie of oplossend vermogen, wat te vergelijken is met de resolutie van een foto: hoe groter de resolutie, hoe meer details zichtbaar worden. Door de resolutie van het model te vergroten, kan het model die kleinschalige processen in het onweer beter simuleren, maar dat vergt significant meer rekenkracht.

In deze scriptie werd, in samenwerking met het KMI, de voorspelbaarheid van het onweer van 18 augustus 2011 (de zgn. Pukkelpopstorm) onderzocht aan de hand van het weermodel ALARO. Uit voorgaand onderzoek van het KMI bleek dat de schade op het Pukkelpopfestival veroorzaakt werd door een sterke valwind of downburst met een diameter van minder dan 100 meter. Een van de doelstellingen was bijgevolg om na te gaan of het model in staat is indicaties voor zo'n downburst te voorspellen.

Downburst
In en rond de onweerswolk is er veel turbulentie. Hierdoor kan het gebeuren dat droge lucht rondom het onweer in de wolk wordt gezogen. De droge lucht doet een deel van de neerslag in de wolk verdampen, waardoor de lucht afkoelt. Net zoals warme lucht opstijgt (zo werkt een luchtballon), zal de koude lucht in de wolk dalen. Die dalende lucht of valwind zorgt voor afkoeling aan de grond, en is tevens verantwoordelijk voor sterke windstoten tijdens een onweer. In extreme gevallen kan gedurende een korte tijd en over een klein gebied een zeer sterke valwind ontstaan. Dat noemt men een downburst. De windsnelheden tijdens een downburst kunnen zeer groot zijn, tot 130 km/u in het geval van Pukkelpop, zo bleek uit eerder onderzoek van het KMI.

Omdat de valwind verantwoordelijk is voor de sterke windstoten aan de grond, is het erg belangrijk dat het weermodel die correct voorspelt. Helaas is dat zeer moeilijk omdat de valwind te kleinschalig is om door het model correct te worden gesimuleerd. Bovendien zijn er maar weinig metingen van de valwind beschikbaar, zodat het moeilijk is om het model te verifiëren.

In dit onderzoek werd daarom gekeken naar de temperatuurdalingen en drukfluctuaties aan de grond ten gevolge van de valwind, waarvoor wel observaties beschikbaar zijn. Door deze observaties te vergelijken met de voorspellingen, kan het weermodel geoptimaliseerd worden om de valwind beter te voorspellen, en een betere schatting te maken van de windstoten tijdens het onweer.

Conclusie
Omwille van hun kleinschaligheid, is het vandaag de dag echter niet mogelijk om downbursts te voorspellen aan de hand van een weermodel. Anderzijds is het wel mogelijk om de onweersbuien, waarin de downbursts zich kunnen voordoen, correct te voorspellen. Hogere resolutie en meer rekenkracht kunnen de voorspelbaarheid van dergelijke kleinschalige fenomenen vergroten. Verder onderzoek zal dat moeten aantonen en de modellen zullen moeten aangepast worden om ook op een hogere resolutie te werken.

Fig. 1: Windstoten (m/s, in kleur) zoals voorspeld door het in dit onderzoek geoptimaliseerde ALARO model van het KMI. De contouren tonen de gebieden waar neerslag valt (in mm/u) en de pijlen tonen de windrichting. Boven de provincies Limburg en Luik is een onweersbui zichtbaar met felle windstoten.

Bibliografie

[1] Ahrens, C. D., 2006: Meteorology Today: An Introduction to Weather, Climate,
and the Environment. Brooks Cole; 8 edition.
[2] Atlas, D., C. W. Ulbrich, C. R. Williams, 2004: Physical Origin of aWet Microburst:
Observations and Theory. J. Atmos. Sci., 61, 1186-1196.
[3] Banacos, P. C. and D. M. Schultz, 2005: The Use of Moisture Flux Convergence
in Forecasting Convective Initiation: Historical and Operational Perspectives. Fore-
casters' Forum, 20, 351-366.
[4] Betts, A. K., 1975: Parametric interpretation of trade-wind Cumulus budget studies.
J. Atmos. Sc., 32, 1934-1945.
[5] Betts, A. K. and M. F. Silva Dias, 1979: Unsaturated downdraft thermodynamics
in cumulonimbus. J. Atmos. Sci., 36, 1061-1071.
[6] Biggersta, M. I., R. A. Houze, 1991: Midlevel vorticity structure of the 10-11 June
1985 squall line. Mon. Wea. Rev., 119, 3066-3079.
[7] Brenot, H., J. Nemeghaire, L. Delobbe, N. Clerbaux, P. De Meutter, A. Deckmyn,
A. Delcloo, L. Frappez, and M. Van Roozendael: Preliminary signs of the initiation
of deep convection by GNSS. Atmos. Chem. Phys, in press.
[8] Brunt, D. 1933: The adiabatic lapse-rate for dry and saturated air. Q.J.R. Meteorol.
Soc., 59, 351-360.
[9] Bryan, G. H., J. C. Wyngaard, J. M. Fritsch, 2003: Resolution Requirements for
the Simulation of Deep Moist Convection. Mon. Wea. Rev., 131, 2394-2416.
[10] Bryan, G. H., D. Ahijevych, C. Davis, S. Trier and M. Weisman, 2005: Observations
of cold pool properties in mesoscale convective systems during BAMEX. In
Preprints, 11th Conf. on Mesoscale Processes, Albuquerque, NM, Amer. Meteor.
Soc., JP5J (Vol. 12).
[11] Byers, H. R. and R. R. Braham, 1949: The thunderstorm. US Weather Bur., Washington,
DC.
[12] Caluwaerts, S., R. De Troch, A. Deckmyn, D. Degrauwe, A. Duerinckx, L. Gerard,
O. Giot, R. Hamdi, G. Smet, P. Termonia, J. Van Den Bergh, M. Vanginderachter.
Joint 22nd ALADIN Workshop & HIRLAM All Sta Meeting 2012, 7-10/05/2012,
Marrakech, Morocco.

[13] Carlson, T. N., E. H. Ludlam, 1968: Conditions for the occurrence of severe local
storms. Tellus, 20, 203-226.
[14] Chen, D. H., P. Bougeault, 1990 : A prognostic approach to deep convection parameterization
for numerical weather prediction. submitted to Mon. Wea. Rev, 1990.
[15] Coniglio, M. C., D. J. Stensrud, L. J. Wicker, 2006: Eects of upper-level shear on
the structure and maintenance of strong quasi-linear mesoscale convective systems.
J. Atmos. Sci., 63, 1231-1252.
[16] Cotton, W. R., G. H. Bryan, S. C. van den Heever, 2011: Storm and Cloud Dynamics.
Academic Press, 2nd Ed.
[17] Delobbe, L., S. Dewitte, N. Clerbaux, 2011: Rapport situation meteo Pukkelpop
18/08/2011. RMI technical note.
[18] Doswell III, C. A., and E. N. Rasmussen, 1994: The eect of neglecting the virtual
temperature correction on CAPE calculations. Weather and forecasting, 9, 625-629.
[19] Emanuel, K. A., 1994: Atmospheric Convection. Oxford University Press.
[20] Engerer, N. A., D. J. Stensrud, M. C. Coniglio, 2008: Surface characteristics of
observed cold pools. Mon. Wea. Rev., 136(12), 4839-4849.
[21] Fu, D. and X. Guo, 2007: Numerical study on a severe downburst-producing thunderstorm
on 23 August 2001 in Beijing. Adv. Atmos. Sci., 24(2), 227-238.
[22] Fujita, T. T., 1959: Precipitation and cold air production in mesoscale thunderstorm
systems. J. of Meteor., 16(4), 454-466.
[23] Fujita, T. T. and R. M. Wakimoto, 1983: Microbursts in JAWS depicted by Doppler
radars, PAM, and aerial photographs. Conference on Radar Meteorology, 21 st,
Edmonton, Alberta, Canada, 638-645.
[24] Galway, J. G., 1956: The lifted index as a predictor of latent instability. Bull. Amer.
Meteor. Soc, 37, 528-529.
[25] Geleyn, J. F., B. Catry, Y. Bouteloup and R. Brozkova, 2008: A statistical approach
for sedimentation inside a micro-physical precipitation scheme. Tellus, 60A, 649-
662.
[26] Gerard, L., 2012: Part IV: Updraft calculations. Part V: Moist downdraft computation
(Alaro-0). Part VI: Unsaturated downdraft. RMI technical notes.
[27] Gerard, L., 2007: An integrated package for subgrid convection, clouds and precipitation
compatible with the meso-gamma scales. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 133,
711-730.
[28] Gerard, L. and J.-F. Geleyn, 2005: Evolution of a subgrid deep convection
parametrization in a limited area model with increasing resolution. Quart. J. Roy.
Meteor. Soc., 131, 2293-2312.

[29] Gerard, L., J.-M. Piriou, R. Brozkova, J.-F. Geleyn, D. Banciu, 2009: Cloud and
precipitation parametrization in a meso-gamma-scale operational weather prediction
model Mon. Wea. Rev., 137, 3960-3977.
[30] Gilmore, M. S. and L. J. Wicker, 1998: The in
uence of midtropospheric dryness
on supercell morphology and evolution. Mon. Wea. Rev., 126, 943-958.
[31] Gregory, D., R. Kershaw, P. M. Inness, 1997: Parametrization of momentum transport
by convection. Part II: Tests in single-column and general circulation models.
Q. J. R. Meteorol. Soc, 123, 1153-1183.
[32] Hamid, K., 2011: Meteorologische analyse van de downbursts over Dendermonde en
Binkom op 18 augustus 2011 en bespreking van de daarop volgende damage survey.
RMI Technical note Weather Oce.
[33] Holton, J. R., 2004: An Introduction to Dynamic Meteorology. Academic Press, 4th
Ed.
[34] Hookings, G. A., 1965: Precipitation-maintained downdrafts. J. Appl. Meteor., 4,
190-195.
[35] James, R. P., P. M. Markowski, 2010: A numerical investigation of the eects of
dry air aloft on deep convection. Mon. Wea. Rev., 138, 140-161.
[36] Johnson, R. H., 2001: Surface mesohighs and mesolows. Bull. Amer. Meteor. Soc.,
82(1), 13-32.
[37] Johnson, R. H. and P. J. Hamilton, 1988: The relationship of surface pressure
features to the precipitation and air
ow structure of an intense midlatitude squall
line. Mon. Wea. Rev., 116(7), 1444-1473.
[38] Kershaw, R., D. Gregory, 1997: Parameterization of momentum transport by convection.
Part I: Theory and cloud modelling results. Q. J. R. Meteorol. Soc, 123,
1133-1151.
[39] Kirkpatrick, C., E. W. McCaul Jr, C. Cohen, 2009: Variability of updraft and
downdraft characteristics in a large parameter space study of convective storms.
Mon. Wea. Rev., 137(5), 1550-1561.
[40] Knupp, K. R. and W. R. Cotton, 1985: Convective cloud downdraft structure: An
interpretive survey. Reviews of Geophysics, 23(2), 183-215.
[41] Lean, H. W., P. A. Clark, M. Dixon, N. M. Roberts, A. Fitch, R. Forbes and C.
Halliwell, 2008: Characteristics of high-resolution versions of the Met Oce Unied
Model for Forecasting Convection over the United Kingdom. Mon. Wea. Rev., 136,
3408-3424.
[42] Li Yaodong, Gao Shouting and Liu Jianwen, 2004: Assessment of several moist
adiabatic processes associated with convective energy calculation. Adv. Atmos. Sci.,
21, 941-950.
[43] Lorenz, E. N., 1969: Atmospheric predictability as revealed by naturally occuring
analogues. J. Atmos. Sci., 26, 636-646.

[44] McCann, D, 1997: Comments on \Downbursts". Nat'l. Wea. Dig., 21(4), p44-47.
[45] Moller, A. R., 2001: Severe local storms forecasting. Severe Convective Storms,
Meteor. Monogr., No. 50, Amer. Meteor. Soc., 433-480.
[46] Moncrie, M. W. and M. J. Miller, 1976: The dynamics and simulation of tropical
cumulonimbus and squall lines. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 102(432), 373-394.
[47] Ogura, Y., T. Takahashi, 1971: Numerical simulation of the life cycle of a thunderstorm
cell. Monthly Weather Review, 99, 895-911.
[48] Parker, M. D., R. H. Johnson, 2004: Simulated Convective Lines with Leading
Precipitation. Part I: Governing Dynamics. J. Atmos. Sci., 61, 1637-1655.
[49] Roberts, N. M. and H. W. Lean, 2008: Scale-selective verication of rainfall accumulations
from high resolution forecasts of convective events. Mon. Wea. Rev., 136,
78-97.
[50] Romero, R., C. A. Doswell, R. Riosalido, 2001: Observations and Fine-Grid Simulations
of a Convective Outbreak in Northeastern Spain: Importance of Diurnal
Forcing and Convective Cold Pools. Mon. Wea. Rev., 129, 2157-2182.
[51] Rose, M.A., 1996: Downbursts. Nat'l. Wea. Dig., 21(1), 11-17.
[52] Rotunno, R., J. B. Klemp, and M. L.Weisman, 1988: A theory for strong, long-lived
squall lines. J. Atmos. Sci., 45, 463-485.
[53] Schmidt, J. M. and W. R. Cotton, 1989: A high plains squall line associated with
severe surface winds. J. Atm. Sci., 46(3), 281-302.
[54] Showalter, A. K., 1953: A stability index for thunderstorm forecasting. Bull. Amer.
Meteor. Soc, 34(6), 250-252.
[55] Simon, A., J. Kanak, A. Sokol, M. Putsay, L. Uhrinova, K. Csirmaz, R. Habrovsky,
2011: Case study of a severe windstorm over Slovakia and Hungary on 25 June 2008.
Atmospheric Research, 100, 705-739.
[56] Srivastava, R., 1987: A model of intense downdrafts driven by the melting and
evaporation of precipitation. J. Atmos. Sci., 44, 1752-1773.
[57] Stensrud, D. J., G. S. Manikin, E. Rogers, K. E. Mitchell, 1999: Importance of cold
pools to NCEP mesoscale Eta Model forecasts. Wea. Forecasting, 14, 650-670.
[58] Stone, P. H., J. H. Carlson, 1979: Atmospheric lapse rate regimes and their parameterization.
J. Atmos. Sci, 36, 415-423.
[59] Sud, Y. C. and G. K. Walker, 1993: A rain evaporation and downdraft parameterization
to complement a cumulus updraft scheme and its evaluation using GATE
data. Mon. Wea. Rev., 121(11), 3019-3039.
[60] Trapp, R. J., M. L. Weisman, 2003: Low-level mesovortices within squall lines and
bow echoes. Part II: their genesis and implications. Mon. Wea. Rev., 131, 2804-2823.

[61] van Delden, A. , 1998: The synoptic setting of a thundery low and associated
prefrontal squall line in western Europe. Meteorol. Atmos. Phys, 65, 113-131.
[62] van Delden, A. , 2001: The synoptic setting of thunderstorms in western Europe.
Atmospheric Research, 56, 89-110.
[63] van den Heever, S. C. and W. R. Cotton, 2004: The impact of hail size on simulated
supercell storms. J. Atm. Sci., 61(13), 1596-1609.
[64] Vescio, M. and R. Johnson, 1992: The surface-wind response to transient mesoscale
pressure elds associated with squall lines. Mon. Wea. Rev., 120(9), 1837-1850.
[65] Wakimoto, R. M., 1982: The life cycle of thunderstorm gust fronts as viewed with
Doppler radar and rawinsonde data. Mon. Wea. Rev., 110, 1060-1082.
[66] Wakimoto, R. M. and V. N. Bringi, 1988: Dual-polarization observations of microbursts
associated with intense convection: The 20 July storm during the MIST
project. Mon. Wea. Rev., 116(8), 1521-1539.
[67] Wakimoto, R.M., H. V. Murphey, C. A. Davis, N. T. Atkins, 2006: High winds
generated by bow echoes. Part II: the relationship between the mesovortices and
damaging straight-line winds. Mon. Wea. Rev., 134, 2813-2829.
[68] Walser, A., D. Luthi, and C. Schar, 2004: Predictability of precipitation in a cloudresolving
model. Mon. Wea. Rev., 132, 560-577.
[69] Weisman, M. L., J. B. Klemp, 1982: The dependence of numerically simulated
convective storms on vertical wind shear and buoyancy. Mon. Wea. Rev., 110, 504-
520.
[70] Weisman, M. L., W. C. Skamarock and J. B. Klemp, 1997: The resolution dependence
of explicitly modeled convective systems. Mon. Wea. Rev., 125, 527-548.
[71] Weisman, M. L., C. A. Davis, 1998: Mechanisms for the generation of mesoscale
vortices within quasi-linear convective systems. J. Atmos. Sci., 55, 2603-2622.
[72] Weisman, M. L., R. J. Trapp, 2003: Low-level mesovortices within squall lines and
bow echoes. Part I: overview and dependence on environmental shear. Mon. Wea.
Rev., 131, 2779-2803.
[73] Weisman, M. L., R. Rotunno, 2004: \A theory for strong long-lived squall lines"
revisited. J. Atmos. Sci., 61(4), 361-382.
[74] Wilhelmson, R., 1974: The Life Cycle of a Thunderstorm in Three Dimensions. J.
Atmos. Sci., 31, 1629-1651.
[75] Zhang, D. L. and K. Gao, 1989: Numerical simulation of an intense squall line during
10-11 June 1985 PRE-STORM. Part II: Rear in
ow, surface pressure perturbations,
and stratiform precipitation.. Mon. Wea. Rev., 117, 2067-2094.
[76] Ziegler, C. L., and E. N. Rasmussen, 1998: The initiation of moist convection at the
dryline: forecasting issues from a case study perspective. Wea. Forecasting, 13(4),
1106-1131.

[77] http://www.deredactie.be
[78] http://annemieturtelboom.be
[79] www.eumetrain.org/satmanu/SatManu/main.htm
[80] www.meted.ucar.edu
[81] NERC Satellite Receiving Station, Dundee University, Scotland
http://www.sat.dundee.ac.uk/
[82] http://weather.uwyo.edu/upperair/europe.html
[83] European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF),
http://www.ecmwf.int/
[84] United Kingdom's National Weather Service (MetOce),
http://www.metoce.gov.uk
[85] The Meteorological Wing (MeteoWing), Belgian Defence.
[86] http://www.ecmwf.int/newsevents/training/rcourse notes/NUMERICAL METHODS/...
.../ADIABATIC FORMULATION/Adiabatic formulation5.html