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NOAH LAND SURFACE MODEL – MP UPGRADE A Performance Evaluation of the Noah-MP Land Surface Model Marcel Caron Undergraduate Student, University of MD, College Park Advised by E. Hugo Berbery, Ph. D. Director, CICS-MD Omar V. Müller CEVARCAM December 8, 2016

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NOAH LAND SURFACE MODEL – MP UPGRADE A Performance Evaluation of the Noah-MP

Land Surface Model

Marcel Caron Undergraduate Student, University of MD, College Park

Advised by E. Hugo Berbery, Ph. D.

Director, CICS-MD

Omar V. Müller CEVARCAM

December 8, 2016

Goals  

Ø  Does  Noah-­‐MP  improve  mesoscale  forecasts?  Ø  Conduct  qualita-ve  and  quan-ta-ve  analyses  of  the  

Noah-­‐MP  LSM  forecast  performance  using  a  coupled  system  Ø  Understand  skill  and  biases  of  temperature  and  precipita-on  

simula-ons  over  CONUS  Ø  Compare  Noah-­‐MP  and  Noah  v3.4  simula-ons  

Ø  Support  implementa.on  of  Noah-­‐MP  in  Next  Genera.on  Global  Predic.on  System  (NGGPS)  

2  

NOAA  

N:  Na-onal  Centers  for  Environmental  Predic-on  (NCEP)  O:  Oregon  State  University  -­‐  Dpt.  AOS  A:  Air  Force  H:  Hydrology  Lab  -­‐  NWS  

Noah  LSM  processes:  Ø  Heat  fluxes  Ø  Radia-on  fluxes  Ø  Momentum  exchange  Ø  Hydrological  Cycle  

3  

NCAR,  2004  

LSM  –  Land  Surface  Model  

4  

Noah  “MP”  

Inclusion  of  Land  Surface  Processes  in  NWP  

Solid  Black:  Pre-­‐2005  GFS  Dashed:  GFS  w  LSM  upgrade  

Bias  Score  

Gilbert  S

kill  Score  

“24-­‐hour  precip.  threshold  (in.)”  

“24-­‐hour  precip.  threshold  (in.)”  

Mitchell  et  al.,  2005  

Land  Surface  Model  MoBvaBon:    Ø  Land  Surface  Processes  Quan-fied  Ø  Quan--es  provided  to  parent  model…  Ø  …as  Lower  Boundary  Condi-on  to  mesoscale  NWP  models  

5  USGS  30-­‐second  global  24-­‐category  vegeta-on  (land-­‐use)  data,  ORNL  

Key  input  Ø  Land  use  type  Ø  Soil  texture  Ø  Slope  

Derived  from  Remote  Sensing  Data  (AVHRR)  

Data  for  This  Project  Ø  Noah/WRF-­‐NMM  coupled  

system  Ø  Original  research  version  of  

WRF-­‐NMM  released  in  2003  Ø  Boundary  Condi-ons  

provided  by  NAM    

6  

Noah  LSM  

NAM  

NAM  

NMM  –  NonHydrosta9c  Mesoscale  Model  

NOAA,  DTC,  2014  

Previous  version:  Noah  v  3.4  Ø  Root  uptake  from  Water  Table  Ø  Vegeta-on  +  soil  layer  Ø  Snow  +  soil  layer  

7  

[2012  Average  of  Monthly  Precip.  Totals]  

Observed  LS  Data  [NOAA/OAR/ESRL  PSD]   Noah  3.4/  WRF  3.5  Data  

millimeters  

Niu  et  al.,  2011  

Now:  Noah  “MP”  Upgrade  Baseline  Noah  LSM  with  op-ons  that  allow  for:  Ø  Water  Table  depth  esBmates  Ø  Mul9-­‐layer  snow  and  canopy  

8  

[2012  Average  of  Monthly  Precip.  Totals]  

Observed  LS  Data  [NOAA/OAR/ESRL  PSD]   Noah-­‐MP  1.1/WRF  3.5  Data  

millimeters  

MP  –  Mul9parameteriza9on  

Niu  et  al.,  2011  

Water  Table  Concept  

9  

hhp://www.walldevil.com/wallpapers/a84/tree-­‐field-­‐rain-­‐rainbow-­‐cloud-­‐sky.jpg  

Ø  Moisture  Flux  Ø  Soil  Moisture  Ø  Transpira-on  Ø  Evapora-on  Ø  Runoff  (Surface  

+  Underground)  Ø  Groundwater  

Transfer  Ø  Root  Uptake  

Water  Table  Concept  

10  

hhp://www.walldevil.com/wallpapers/a84/tree-­‐field-­‐rain-­‐rainbow-­‐cloud-­‐sky.jpg  

Ø  Moisture  Flux  Ø  Soil  Moisture  Ø  Transpira-on  Ø  Evapora-on  Ø  Runoff  (Surface  

+  Underground)  Ø  Groundwater  

Transfer  Ø  Root  Uptake  

WATER  TABLE  

Water  Table  Concept  

11  

hhp://www.walldevil.com/wallpapers/a84/tree-­‐field-­‐rain-­‐rainbow-­‐cloud-­‐sky.jpg  

Ø  Moisture  Flux  Ø  Soil  Moisture  Ø  TranspiraBon?  Ø  EvaporaBon  Ø  Runoff  (Surface  

+  Underground)  Ø  Groundwater  

Transfer  Ø  Root  Uptake  

WATER  TABLE  Yuan  et.  al,  2008  

Methodology:  First  Steps  Ø  Qualita-ve  Comparison,  30-­‐Year  Average  to  2012  

Ø  Iden-fy  Observed  2012  Anomalies  Ø  Key  Features  we  want  to  see  in  Noah-­‐MP/WRF  simula-ons  

12  

NOAA/OAR/ESRL  PSD  Data  °Celsius  

Observed  Mean  JJA  Temperature  (°C)  1982  –  2012  Average   2012  

Methodology  ConBnued  

Ø  QualitaBve  Analysis:  Anomaly  Fields  Ø  QuanBtaBve  Analysis:  Root  Mean  Squared  Error  Ø  Annual,  Summer,  Winter  Ø  Temperature  &  Precipita-on  

13  hhp://www.clipartkid.com/images/808/up-­‐north-­‐trees-­‐clip-­‐art-­‐at-­‐clker-­‐com-­‐vector-­‐clip-­‐art-­‐online-­‐royalty-­‐0MXeeV-­‐clipart.png  

Value  For  This  Project  

14  

NCAR’s  Research  Data  Archive  NWS’s  Environmental  Modeling  Center  

NOAA’s  Earth  System  Research  Laboratory  

Ø  Noah-­‐LSM  in  NWP:  Ø  NAM  (short-­‐range,  12km)  Ø  GFS  (med-­‐range,  24km)  Ø  CFS  (long-­‐range/seasonal)  

Ø  Future:  Ø  Next  GeneraBon  Global  PredicBon  System  (NGGPS)  -­‐  2018  

15  

Does  Noah-­‐MP  improve  mesoscale  forecasts?  

Ø  Given  physics  upgrades,  we  expect  it  to  Ø  Areas  of  Deteriora-on?  

Ø  Methods  for  analysis  will  aim  to  gain  quanBtaBve  and  qualitaBve  understanding  of  changes  

Ø  NGGPS  will  run  with  Noah-­‐MP  in  2018  

References  Cai,  X.  et  al.,  Hydrological  evalua-on  of  the  Noah-­‐MP  land  surface  model  for  the  Mississippi  River  Basin,  J.  Geophys.    Res.-­‐Atmos.,  119,  1,  23-­‐38,  doi:  

10.1002/2013JD020792,  2014.  Clark,  M.  P.,  D.  Kavetski,  and  F.  Fenicia,  Pursuing  the  method  of  mul-ple  working  hypotheses  for  hydrological    modeling,  Water  Resour.  Res.,  47,  

W09301,  doi:10.1029/2010WR009827,  2011.  De  Ridder,  K.  and  Schayes,  G.,  The  IAGL  Land  Surface  Model,  J.  Appl.  Meteor.,  36,  167-­‐182,  doi:    10.1175/1520-­‐0450(1997)036<01667:TILSM>2.0.CO;2,  

1997.  Dirmeyer,  P.  A.,  et  al.  Land  Surface  Modeling  in  Support  of  Numerical  Weather  Predic-on  and  Sub-­‐Seasonal  Climate    Predic-on,  Cola/GMU,  hhp://

cola.gmu.edu/lsm/GMU_KIAPS_White_Paper.pdf,  2013.  Ek,  M.  B.  and  Jasper,  M.:  Land  Surface  Modeling  (presenta-on).  hhp://slideplayer.com/slide/3852992/,  2015.    Ek,  M.  B.,  et  al.  Implementa-on  of  Noah  land  surface  model  advances  in  the  Na-onal  Centers  for  Environmental    Predic-on  opera-onal  mesoscale  Eta  

model.  J.  Geophys.  Res.,  108,  D22,  doi:  10.1029/2002JD003296,  2003.          Luo,  Y.,  Berbery,  E.  H.,  and  Mitchell,  K.  E.  The  Opera-onal  Eta  Model  Precipita-on  and  Surface  Hydrologic  Cycle  of  the    Columbia  and  Colorado  Basins,  

J.  Hydrometeo.,  6,  341-­‐370,  doi:  10.1175/JHM435.1,  2005.  Mitchell,  K.  et  al.  NCEP  Implements  Major  Upgrade  to  Its  Medium-­‐Range  Global  Forecast  System,  Including  Land-­‐Surface  Component,  GEWEX,  15,  4,    8-­‐9,  

hhp://www.gewex.org/gewex-­‐content/files_mf/1432207652Nov2005.pdf#page=8  2005.  Murray,  S.  J.,  I.  M.  Watson,  and  I.  C.  Pren-ce,  The  use  of  dynamic  global  vegeta-on  models  for  simula-ng  hydrology  and    the  poten-al  integra-on  of  

satellite  observa-ons,  Prog.  Phys.  Geogr.,  37(1),  63–97,  doi:  10.1177/0309133312460072,  2013.  Niu,  G.-­‐Y.,  et  al.  The  community  Noah  land  surface  model  with  mul-parameteriza-on  op-ons  (Noah-­‐MP):  1.  Model    descrip-on  and  evalua-on  with  

local-­‐scale  measurements,  J.  Geophys.  Res.,  116,  D12109,  doi:  10.1029/2010JD015139,  2011.  NOAA,  Developmental  Testbed  Center  (DTC),  User’s  Guide  for  the  NMM  Core  of  the  Weather  Research  and  Forecast  (WRF)  Modeling  System  Version  3,  

Chapter  5:  WRF  NMM  Model,  www.dtcenter.org/wrf-­‐nmm/users/docs/user_guide/V3/users_guide_nmm_chap5.pdf,  2014.  Teuling,  A.  J.,  et  al.  Contras-ng  response  of  European  forest  and  grassland  energy  exchange  to  heatwaves,  Nat.  Geosci.,    3,  722-­‐727,  doi:  10.1038/

ngeo950,  2010.  Yang,  Z.-­‐L.,  et  al.,  The  community  Noah  land  surface  model  with  mul-parameteriza-on  op-ons  (Noah-­‐MP):  2.    Evalua-on  over  global  river  basins,  J.  

Geophys.  Res.,  116,  D12110,  doi:10.1029/2010JD015140,  2011.  

 

16  

17  

Extra:  Current  Progress  Annual  Cycle  Comparison  –  PrecipitaBon,  Total  Monthly  (mm)  

Extra:  EvaluaBng  Model  Performance:  ConBngency  Tables  

18  

False  Alarm  

Correct  Nega-ve  

Hit  Miss  

Modeled    Observed  

Shuherstock  Image  

Extra:  EvaluaBng  Model  Performance:  ConBngency  Tables  

19  

Fowler  et  al.,  2012    

Extra:  Comparing  Theory  to  ObservaBon  

Ø  Previous  test  regions  Ø  River  Basins  Ø  Hydrological  Cycle  

20  

Müller  et.  al,  2016  

Extra:    Comparison  of  Noah  v3.5  and  Noah-­‐

MP  Features  Noah  v.  3.5   Noah-­‐MP  

Vegeta-on  +  soil  combined  layer   Canopy  Layers  op-on  

Snowpack  +  soil  combined  layer   Snow  Pack  Layers  op-on  

Groundwater  Transfer  &  Storage  

Permeable  Frozen  Soil  

Ball-­‐Berry  Stomatal  Resistance  

21  

Extra:  MODIS  Land  Cover  Type  Product  (MCD12Q1)  

Ø  Maps  global  land  cover  Ø  Categorized  into  Land  Surface  Type  

Ø  Uses  MODIS  spectral  and  temporal  data  Ø  Incl.  reflectance,  land  surface  temperature    

Ø  Input  “database  is  a  ‘living’  database”  

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Friedl  et  al.,  2012