A Semi-Lagrangian NWP Model for Real-time and Research Applications: Evaluation in Single- and Multi-Processor Environments

ABSTRACT

A semi-Lagrangian numerical weather prediction (NWP) model developed for both real-time prediction and for research simulations has been evaluated. The model is second-order in time, high-order (≥ 3) in space, and employs a non-staggered grid in both the horizontal and vertical.

A version of the model which is third-order in space was compared with two Eulerian models: the Australian Bureau of Meteorology's current operational regional model which is quasi-second-order in rime and space, and also a new version of this model with a third-order upwind scheme that was developed for use as the Australian Bureau of Meteorology's next operational limited-area NWP model.

In a three month trial of twice-daily 48-hour forecasts it was found that both the third-order models were significantly more skillful than the current operational model, as measured by the standard performance statistics such as the S₁ skill score (Teweles and Wobus, 1954), and root-mean-square (RMS) errors. The specific implications of this greater accuracy were examined in case studies of severe weather events.

The semi-Lagrangian model also bas been adapted to global form and run on a daily basis out to 5 days using archived operational data over a period of almost 6 months.

Finally, the semi-Lagrangian model code was parallelized on a workstation cluster and also on a scalable parallel computer, and it was found that the model was well-suited to parallelization on both computer platforms.

RÉSUMÉ

On a évalué un modèle semi-lagrangien de prévision numérique conçu pour la prévision en temps réel et pour la recherche en simulation. Le modéle est de second ordre dans le temps et d'ordre élevé (≥ 3) dans l'espace, employant une grille non décalée autant dans l'horizontale que dans la verticale.

On compare une version du modèle de troisième ordre dans l'espace avec deux modèles eulériens: le modèle régional présentement en exploitation à l'Australian Bureau of Meteorology (ABM), de quasi-second ordre dans le temps et l'espace; et une nouvelle version développée comme le prochain modèle d'exploitation à régions restreintes de l'ABM, ayant un schéma de troisième ordre à pas spacial vers l'amont.

Durant un essai de trois mois de prévisions biquotidiennes de 48 heures, on a trouvé que, selon les normes de performance statistiques comme l'indice d'habileté S₁ (Teweles et Wobus, 1954) et les erreurs quadratiques moyennes, les deux modèles de troisième ordre étaient significativement plus habiles que le modèle présentement en exploitation. Les implications spécifiques de cette plus grande précision ont été examinées dans des études de cas de temps violents.

Le modèle seini-lagrangien a aussi été adapté à une forme mondiale et intégré chaque jour jusqu'à cinq jours, en utilisant des données d'archives opérationnelles couvrant une période de plus de six mois.

Enfin, on a parallélisé le code du modèle semi-lagrangien sur un réseau de stations de travail et sur un ordinateur parallèle à architecture évolutive et trouvé qu'il convenait bien à la parallélisation sur les deux plates-formes d'ordinateur.