Previsión de precipitación a muy corto plazo combinando técnicas de extrapolación de datos radar y modelos meteorológicos
Authors:   , Hernández Navarro Olver Olfrey 
Published: October 2023

Rainfall nowcasting based on the extrapolation of most recent radar rainfall fields usually shows better skill than NWP models for short lead times, since it benefits from observations of the initial rainfall state. In contraposition, NWP forecasts are based on modeling the atmospheric state and, thus, reproduce (to some extent) the evolution of the rainfall field, which makes them more skilful for longer lead times. Actual investigations suggest that the combination of extrapolation-based nowcasts with NWP outputs usually results in more skillful very short-term forecasts.

In this thesis, an extrapolation technique of radar rainfall fields and an intensity correction to the NWP forecasts to match probability function of radar rainfall fields have been implemented. In addition, different configurations have been developed to combine linearly the rainfall forecasts by both methodologies, using different definitions of weights to blend them, to generate forecasts in the range of 0 to 6 hours. The different configurations have been evaluated in two domains: one using the Spanish radar mosaic observations and the Nonhydrostatic Mesoscale Model (NMM) forecasts for Spain and the European radar mosaic and COSMO-DE forecasts for central Europe. The different configurations show different results depending on the meteorological situation, so what, the dynamics of the meteorological processes of each situation and the capacity of the model to reproduce it dearly affect the results.

Additionally, the impact of the diurnal cycle of precipitation on the extrapolation results and the meteorological models has been analyzed and two new configurations have been implemented to incorporate, in some way, the impact of the diurnal cycle of precipitation in the warm season. The results of these two configurations depend to a great extent on the quality of the NWP forecasts and when analyzing a large number of cases, their results are similar to those of simpler configurations.

Finally, it has been found that the combination of predictions of the radar extrapolation technique and the meteorological models provides better results than each of the two separately, especially between the third and the fifth hour of forecasting, allowing to have a single forecast that combines the available information, with a temporal coherence in the range of zero to six hours. In the operational mode, a configuration has been implemented that uses fixed weights due to its simplicity and because his forecast quality was slightly superior to the one of the linear configurations and equal to those of more complex configurations.

La previsión de precipitación a muy corto plazo basada en la extrapolación de campos de precipitación radar usualmente presentan mejores resultados que la prevista por modelos numéricos de previsión meteorológica (de ahora en adelante modelos meteorológicos) en las primeras horas de pronóstico, debido principalmente al uso de las últimas observaciones. En contraposición, los modelos meteorológicos se basan en el modelamiento del estado de la atmosfera y en cierto modo reproducen la evolución de la precipitación, lo cual hace que tengan mejores pronósticos para tiempos de previsión mayores. Investigaciones actuales sugieren que combinar las previsiones de las técnicas de extrapolación de datos radar y de los modelos meteorológicos genera mejores previsiones en el muy corto plazo que cada una por separado. En esta tesis se ha implementado una técnica de extrapolación de datos radar y una corrección de intensidades a la precipitación prevista por modelos meteorológicos para imponerles la distribución de probabilidades de las observaciones radar. Adicionalmente se han desarrollado diferentes configuraciones para combinar linealmente la precipitación prevista por ambas metodologías, usando diferentes definiciones de pesos para combinarlas, con el fin de generar previsiones en el rango de 0 a 6 horas. Las diferentes configuraciones han sido evaluadas en dos dominios: uno usando observaciones del mosaico radar español y previsiones del Nonhydrostatic Mesoscale Model (NMM) sobre España y observaciones del mosaico europeo y pronósticos del COSMO-DE sobre el centro de Europa. Se ha encontrado que las diferentes configuraciones muestran resultados distintos dependiendo de la situación meteorológica particular, de forma que la dinámica de los procesos meteorológicos de cada situación y la capacidad del modelo para reproducirla inciden de forma clara en los resultados. Finalmente, se ha encontrado que, en promedio, cuando se analiza la calidad de las previsiones un gran número de casos, las diferentes configuraciones de la combinación presentan resultados similares. Adicionalmente, se ha analizado el impacto del ciclo diurno de la precipitación en los resultados de la extrapolación y de los modelos meteorológicos y se han implementado dos nuevas configuraciones para incorporar, de cierto modo, el impacto del ciclo diurno de la precipitación en la temporada cálida. Los resultados de estas dos configuraciones dependen en gran medida de la calidad de las previsiones del modelo meteorológico y al analizar un gran número de casos, sus resultados son similares a los de configuraciones más sencillas. Finalmente, se ha encontrado que la combinación de las previsiones de la técnica de extrapolación del radar y los modelos meteorológicos proporciona mejores resultados que cada una de las dos por separado, especialmente entre la tercera y la quinta hora de previsión, permitiendo tener una única previsión que combina la información disponible y que tiene una coherencia temporal en el rango de cero a seis horas. En modo operacional se ha implementado una configuración que utiliza pesos fijos debido a su simplicidad y a que la calidad de sus previsiones fue ligeramente superior a la de las configuraciones lineales e igual a los de configuraciones más complejas.