Impact of Resolution and of the Eta Coordinate on Skill of the Eta Model Precipitation Forecasts

ABSTRACT

During the last somewhat more than a year of the operational running of the Eta Model at the U.S. National Meteorological Center (NMC) a considerable body of statistics has been accumulated demonstrating the model's significantly increased accuracy in forecasting precipitation compared to that of NMC's Nested Grid Model (NGM). The model has shown a smaller but just as consistent advantage in skill against that of NMC's global spectral model. An obvious question is whether there are design features of the Eta Model which could be identified as responsible for this generally improved performance.

One feature on which we have data is spatial resolution. In an experiment we performed, a sample of 148 forecasts was formed from each of four models: three versions of the Eta Model differing in resolution only, and the NGM. The Eta Model of that time had achieved a substantial advantage over the NGM with no increase in resolution at all of our eight precipitation categories except at the lightest “rain/no rain” category. Thus, reasons other than resolution are responsible for most of the advantage of the Eta Model over the NGM. An increase in vertical resolution from 17 to 38 layers resulted in an additional modest improvement of skill at the medium and at most of the higher intensity categories. An increase in horizontal resolution from 80 to 40 km brought greater improvements, this time at the lightest and at the medium intensity categories.

Another feature we have investigated is the use of the eta coordinate. As a sequel to our earlier tests, we have recently done 16 forecasts running the Eta Model as an eta and also as a sigma system model. In contrast to the earlier experiments, in the sigma mode no “eta-like” discretization of mountains was performed. At all categories the “Eta” has achieved higher scores than the “Eta/sigma”, its advantage being particularly large for more intense precipitation.

A fitting question on this occasion is, “What are our views on possible further progress in weather prediction through developments in numerical methods?” From the vantage point of the Eta Model, which we take as a state-of-the-art standard, we identify five areas which are offering or may offer promise of additional increase in skill. These are the two areas referred to above: resolution and the choice of the vertical coordinate, and those of the choice of the vertical grid, of the numerics of the propagation of gravity-inertia waves, and of the box-average vs. point-sample treatment of predicted variables. We comment on prospects for benefits to be achieved via efforts in the direction of each of the five areas listed.

RÉSUMÉ

Depuis un peu plus d'un an d'intégration en temps réel on a accumulé un important ensemble de statistiques démontrant que la précision de la prévision des précipitations du modèle Eta en exploitation au National Meteorological Center (NMC) des États-Unis est grandement améliorée par rapport au modèle du NMC à grilles emboîtées (NGM). Le modèle a montré un avantage d'habileté plus petit mais tout aussi consistant par rapport au modèle spectral mondial du NMC. On peut se demander si il n'y a pas des éléments du modèle Eta, responsables de cette performance améliorée, qui pourraient être identifiés.

La résolution spatiale est un des éléments sur lequel nous possédons des données. Dans un essai, on a exécuté un ensemble de 148 prévisions à partir de quatre modèles: trois versions du modèle Eta, dont seule la résolution était différente, et le NGM. Le modèle Eta courant a démontré des avantages notables sur le NGM, sans aucune augmentation de la résolution dans nos huit catégories de précipitation sauf la catégorie la plus faible “pluie/pas de pluie”. On peut donc dire que la résolution n'est qu'une petite partie de l'avantage du modèle Eta. Une augmentation de la résolution verticale de 17 à 38 couches a produit une faible amélioration supplémentaire de l'habileté pour les catégories d'intensité moyenne et la plupart de celles de plus haute intensité. Une augmentation de la résolution spatiale de 80 à 40 km a produit de plus grandes améliorations, cette fois aux catégories d'intensité la plus faible et moyenne.

On a aussi examiné l'utilisation de la coordonnée Eta. Suite aux essais précédents, on a récemment produit 16 prévisions avec le modèle Eta tournant dans le mode eta et aussi dans le mode signa. Contrairement aux autres essais, dans le mode sigma on n'a pas utilisé une discrétisation du genre eta pour les montagnes. Pour toutes les catégories, le Eta a produit de meilleurs résultats que le Eta/sigma, surtout remarquables pour les précipitations plus intenses.

Quels autres progrès concernant la prévision météorologique, associés au développement de méthodes numériques, peut-on envisager en cette occasion? Sous l'angle du modèle Eta, qui pour nous est le plus avancé, on peut identifier cinq domaines offrant ou laissant entrevoir des amélioration additionnelles d'habileté. Il y a les deux domaines ci-dessus, la résolution et le choix des coordonnées verticales, en plus du choix de la grille verticale, de la numérisation de la propagation des ondes de gravité-inertie, et du traitement des variables prévues par moyenne de la boîte versus échantillonnage ponctuel. On souligne ce que pourraient être les bénéfices possibles en rapport avec les efforts nécessaires quant à chacun des cinq domaines suggérés.