TESTING THE WRF-LAKE MODULE FOR LAKE VAN AND ITS SURROUNDINGS

Abstract

Numerical weather prediction models are valuable tools in atmospheric sciences, as they aid in the prediction of meteorological variables, the better understanding of various weather phenomena, and other related aspects. The effect of lakes on atmospheric processes is an important issue that should be taken into consideration in modeling studies. Since many variables on the lake (roughness, albedo, etc.) will differ compared to the land, choosing the right parameters in atmospheric model studies to be carried out in lake regions will increase the success of the model. WRF (Weather Research and Forecasting Model) is a regional weather forecast model used operationally by the meteorological offices of many countries around the world. The current version of the WRF model (Version 4) includes a lake module used to calculate temperatures in the deep layers and on the surface of lakes. This module calculates thermal energy transfers between layers of the lake using a 1-dimensional thermal diffusion equation. In this study, it is aimed to investigate the possible contribution of the WRF-Lake module to the operational WRF simulations of the General Directorate of Meteorology. Lake Van and its surroundings were chosen as the study area, and initial and boundary conditions were provided from ECMWF HRES model data. The model configuration was chosen in accordance with MGM operational WRF simulations. Validation of the model results was done using measurements at MGM stations and the ERA-5 reanalyzed data set. The results show that the “sst_update” method causes unsuccessful model results due to inconsistent lake surface temperatures in the warm period in the ECMWF Forecast product. It has been observed that the current configuration of the WRF-Lake module does not contribute to operational simulations in the cold period and predicts lake surface temperatures that are much lower than reality. While the lake module can be used in the hot period when the “sst_update” method cannot be used, it is unusable in the cold period. In order for the WRF-Lake module to be used in operational MGM simulations, the calibration of the module for Türkiye should be addressed in future studies.

Keywords

• Numerical Weather Prediction
• Lake Van
• WRF-Lake

VAN GÖLÜ VE ÇEVRESİ İÇİN WRF-LAKE MODÜLÜNÜN TEST EDİLMESİ

Abstract

Sayısal hava tahmin modelleri, meteorolojik değişkenlerin tahmin edilmesi, çeşitli hava olaylarının daha iyi anlaşılması vb. konularda fayda sağladığından dolayı; atmosfer bilimlerinde önem teşkil eden araçlardır. Göllerin atmosferik süreçlere etkisi, modelleme çalışmalarında dikkat edilmesi gereken önemli bir husustur. Göl üzerinde birçok değişken (pürüzlülük, albedo, vb.) karaya göre farklılık göstereceğinden dolayı, göl bölgelerinde yapılacak atmosferik model çalışmalarında doğru parametrelerin seçilmesi, modelin başarısını artıracak yönde olacaktır. WRF (Weather Research and Forecasting Model), dünyada birçok ülkenin meteoroloji ofisi tarafından operasyonel olarak kullanılan bir bölgesel hava tahmin modelidir. WRF modelinin güncel versiyonunda (Versiyon 4), göllerin derin katmanlarındaki ve yüzeyindeki sıcaklıkların hesaplanmasında kullanılan bir göl modülü bulunmaktadır. Bu modül 1 boyutlu bir termal difüzyon denklemi kullanarak gölün katmanları arasındaki termal enerji transferlerini hesaplamaktadır. Bu çalışmada WRF-Lake modülünün, Meteoroloji Genel Müdürlüğü'nün operasyonel WRF simülasyonlarına sağlayabileceği olası katkının araştırılması amaçlanmıştır. Çalışma alanı olarak Van Gölü ve çevresi seçilmiş olup, başlangıç ve sınır koşulları ECMWF HRES model verisinden sağlanmıştır. Model konfigürasyonu MGM operasyonel WRF simülasyonlarına uygun olarak seçilmiştir. Model sonuçlarının doğrulanması MGM istasyonlarındaki ölçümler ve ERA-5 yeniden analiz edilmiş veri seti kullanılarak yapılmıştır. Sonuçlar, ECMWF Forecast ürününde sıcak periyotta bulunan tutarsız göl yüzeyi sıcaklıkları sebebiyle “sst_update” yönteminin başarısız model sonuçlarına sebep olduğunu göstermektedir. WRF-Lake modülünün mevcut konfigürasyonunun soğuk periyotta operasyonel simülasyonlara katkı sağlamadığı, gerçeğinden çok düşük göl yüzeyi sıcaklıkları tahmin ettiği görülmüştür. Göl modülü, “sst_update” yönteminin kullanılamadığı sıcak periyotta kullanılabilirken, soğuk dönemde kullanılamaz durumdadır. WRF-Lake modülünün operasyonel MGM simülasyonlarında kullanılabilmesi için, modülün Türkiye için kalibrasyonu gelecek çalışmalarda ele alınmalıdır.

Keywords

• Sayısal Hava Tahmini
• Van Gölü
• WRF-Lake

References

1. Gu, H., Jin, J., Wu, Y., Ek, M. B. ve Subin, Z. M. (2015). Calibration and validation of lake surface temperature simulations with the coupled WRF-lake model. Climatic Change, 129(3–4), 471–483. https://doi.org/10.1007/s10584-013-0978-y
2. Guo, S., Wang, F., Zhu, D., Ni, G. ve Chen, Y. (2022). Evaluation of the WRF-Lake Model in the Large Dimictic Reservoir: Comparisons with Field Data and Another Water Temperature Model. Journal of Hydrometeorology, 23(8), 1227–1244. https://doi.org/10.1175/JHM-D-21-0220.1
3. Hoşgören, M. (1994). Türkiye’nin Gölleri. Türk Coğrafya Dergisi, 29, 19–51.
4. Hostetler, S. W. ve Bartlein, P. J. (1990). Simulation of lake evaporation with application to modeling lake level variations of Harney‐Malheur Lake, Oregon. Water Resources Research, 26(10), 2603–2612. https://doi.org/10.1029/WR026i010p02603
5. Ma, Y., Yang, Y., Qiu, C. ve Wang, C. (2019). Evaluation of the WRF-Lake Model over Two Major Freshwater Lakes in China. Journal of Meteorological Research, 33(2), 219–235. https://doi.org/10.1007/s13351-019-8070-9
6. Oleson, K. W., Lead, D. M. L., Bonan, G. B., Drewniak, B., Huang, M., Koven, C. D., Levis, S., Li, F., Riley, W. J., Subin, Z. M., Swenson, S. C., Thornton, P. E., Bozbiyik, A., Fisher, R., Heald, C. L., Kluzek, E., Lamarque, J.-F., Lawrence, P. J., Leung, L. R., … Yang, Z.-L. (2013). Technical description of version 4.5 of the Community Land Model (CLM). https://doi.org/10.5065/D6RR1W7M
7. Skamarock, W. C., Klemp, J. B., Dudhia, J., Gill, D. O., Liu, Z., Berner, J., Wang, W., Powers, J. G., Duda, M. G., Barker, D. M., & Huang, X.-Y. (2021). A Description of the Advanced Research WRF Model Version 4.3. https://doi.org/10.5065/1DFH-6P97
8. Subin, Z. M., Riley, W. J. ve Mironov, D. (2012). An improved lake model for climate simulations: Model structure, evaluation, and sensitivity analyses in CESM1. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 4(1). https://doi.org/10.1029/2011MS000072

9. Van İl Kültür Ve Turizm Müdürlüğü. (t.y.). Van Gölü. https://van.ktb.gov.tr/TR-88276/van-golu.html adresinden alındı.
10. Wu, Y., Huang, A., Lazhu, Yang, X., Qiu, B., Wen, L., Zhang, Z., Fu, Z., Zhu, X., Zhang, X., Cai, S. ve Tang, Y. (2020). Improvements of the coupled WRF-Lake model over Lake Nam Co, Central Tibetan Plateau. Climate Dynamics, 55(9–10), 2703–2724. https://doi.org/10.1007/s00382-020-05402-3
11. Xiao, C., Lofgren, B. M., Wang, J. ve Chu, P. Y. (2016). Improving the lake scheme within a coupled WRF‐lake model in the Laurentian Great Lakes. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 8(4), 1969–1985. https://doi.org/10.1002/2016MS000717
12. Xu, L., Liu, H., Du, Q. ve Wang, L. (2016). Evaluation of the WRF‐lake model over a highland freshwater lake in southwest China. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 121(23). https://doi.org/10.1002/2016JD025396