Performance of the Canadian Arctic Prediction System during the YOPP Special Observing Periods

ABSTRACT

As a contribution to the Year of Polar Prediction (YOPP), Environment and Climate Change Canada (ECCC) developed the Canadian Arctic Prediction System (CAPS), a high-resolution (3-km horizontal grid-spacing) deterministic Numerical Weather Prediction (NWP) system that ran in real-time from February 2018 to November 2021. During YOPP, ECCC was also running two other operational systems that cover the Arctic: the 10-km Regional Deterministic Prediction System (RDPS) and the 25-km Global Deterministic Prediction System (GDPS). The performance of these three systems over the Arctic was monitored and routinely compared during 2018, both subjectively and with objective verification scores. This work provides a description of CAPS and compares the surface variable objective verification for the Canadian deterministic NWP systems operational during YOPP, focusing on the Arctic winter and summer Special Observing Periods (Feb-March and July-Aug-Sept, 2018). CAPS outperforms RDPS and GDPS in predicting near-surface temperature, dew-point temperature, wind and precipitation, in both seasons and domains. All three systems exhibit a diurnal cycle in the near-surface temperature biases, with maxima at night and minima in day-time. In order to mitigate representativeness issues associated with complex topography, model tile temperatures are adjusted to the station elevation by applying a standard atmosphere lapse-rate: especially for the coarse-resolution models, the lapse-rate adjustment reduces the temperature cold biases characterising mountain terrains. Verification of winter precipitation is performed by adjusting solid precipitation measurement errors from the undercatch in windy conditions: the Canadian models’ systematic positive bias, which was artificially inflated by the undercatch, is reduced by the adjustment, to attain neutral bias. These YOPP dedicated intense verification activities have identified some strengths, weaknesses and systematic behaviours of the Canadian deterministic prediction systems at high latitudes: these results can serve as a benchmark, for comparison and further development. Moreover, this YOPP verification exercise has revealed some issues related to the verification of surface variables and has led to the development of better verification practices for the polar regions (and beyond).

RÉSUMÉ

À titre de contribution à l'Année de la prévision polaire (APP), Environnement et Changement climatique Canada (ECCC) a mis au point le Système de prévision de l'Arctique canadien (CAPS), un système déterministe de prévision numérique du temps (PNT) à haute résolution (maillage horizontal de 3 km) qui a fonctionné en temps réel de février 2018 à novembre 2021. Au cours de l'APP, ECCC exploitait également deux autres systèmes opérationnels qui couvrent l'Arctique : le système régional de prévision déterministe (RDPS) de 10 km et le système mondial de prévision déterministe (GDPS) de 25 km. Le rendement de ces trois systèmes au-dessus de l'Arctique a été surveillé et comparé régulièrement au cours de 2018, à la fois subjectivement et avec des scores de vérification objective. Ce travail fournit une description du CAPS et compare la vérification objective des variables de surface pour les systèmes déterministes canadiens de PNT opérationnels pendant l'APP, en se concentrant sur les périodes d'observation spéciales d'hiver et d'été de l'Arctique (février-mars et juillet-août-septembre, 2018). Le CAPS surpasse le RDPS et le GDPS dans la prévision de la température près de la surface, de la température du point de rosée, du vent et des précipitations, dans les deux saisons et domaines. Les trois systèmes présentent un cycle diurne dans les biais de température proche de la surface, avec des maxima la nuit et des minima le jour. Afin d'atténuer les problèmes de représentativité associés à une topographie complexe, les températures des tuiles du modèle sont ajustées à l'altitude de la station en appliquant un gradient adiabatique de l'atmosphère standard : en particulier pour les modèles à résolution grossière, l'ajustement du gradient adiabatique réduit les biais de température froide caractérisant les terrains montagneux. La vérification des précipitations hivernales est effectuée en ajustant les erreurs de mesure des précipitations solides provenant de la sous-couverture dans des conditions venteuses : le biais positif systématique des modèles canadiens, qui était artificiellement gonflé par la sous-couverture, est réduit par l'ajustement, pour atteindre un biais neutre. Ces activités de vérification intensives dédiées à l'APP ont permis de déterminer certaines forces, faiblesses et comportements systématiques des systèmes canadiens de prévision déterministe à des latitudes élevées : ces résultats peuvent servir de référence, pour la comparaison et le développement futur. De plus, cet exercice de vérification de l'APP a révélé certains problèmes liés à la vérification des variables de surface et a mené à l'élaboration de meilleures pratiques de vérification pour les régions polaires (et au-delà).

KEYWORDS:

• CAPS
• YOPP
• verification
• solid precipitation undercatch
• lapse-rate adjustment

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