Mapping mean total annual precipitation in Belgium, by investigating the scale of topographic control at the regional scale

Accurate precipitation maps are essential for ecological, environmental, element cycle and hydrological models that have a spatial output component. It is well known that topography has a major influence on the spatial distribution of precipitation and that increasing topographical complexity is associated with increased spatial heterogeneity in precipitation. This means that when mapping precipitation using classical interpolation techniques (e.g. regression, kriging, spline, inverse distance weighting, etc.), a climate measuring network with higher spatial density is needed in mountainous areas in order to obtain the same level of accuracy as compared to flatter regions. In this study, we present a mean total annual precipitation mapping technique that combines topographical information (i.e. elevation and slope orientation) with average total annual rain gauge data in order to overcome this problem. A unique feature of this paper is the identification of the scale at which topography influences the precipitation pattern as well as the direction of the dominant weather circulation. This method was applied for Belgium and surroundings and shows that the identification of the appropriate scale at which topographical obstacles impact precipitation is crucial in order to obtain reliable mean total annual precipitation maps. The dominant weather circulation is determined at 260°. Hence, this approach allows accurate mapping of mean annual precipitation patterns in regions characterized by rather high topographical complexity using a climate data network with a relatively low density and/or when more advanced precipitation measurement techniques, such as radar, aren't available, for example in the case of historical data

Implementation of a double moment cloud microphysics scheme in the UK met office regional numerical weather prediction model

Cloud microphysics parametrizations control the transfer of water between phases and hydrometeor species in numerical weather prediction and climate models. As a fundamental component of weather modelling systems cloud microphysics can determine the intensity and timing of precipitation, the extent and longevity of cloud cover and its impact on radiative balance, and directly influence near surface weather metrics such as temperature and wind. In this paper we introduce and demonstrate the performance of a double moment cloud microphysical scheme (CASIM: Cloud AeroSol Interacting Microphysics) in both midlatitude and tropical settings using the same model configuration. Comparisons are made against a control configuration using the current operational single moment cloud microphysics, and CASIM configurations that use fixed in-cloud droplet number or compute cloud droplet number concentration from the aerosol environment. We demonstrate that configuring CASIM as a single moment scheme results in precipitation rate histograms that match the operational single moment microphysics. In the midlatitude setting, results indicate that CASIM performs as well as the single moment microphysics configuration, but improves certain aspects of the surface precipitation field such as greater extent of light (1 mm · hr⁻¹) rain around frontal precipitation features. In the tropical setting, CASIM outperforms the single moment cloud microphysics as evident from improved comparison with radar derived precipitation rates

Ensemble forecasts of a flood-producing storm: comparison of the influence of model-state perturbations and parameter modifications

High-resolution ensemble simulations (Δx = 1 km) are performed with the Met Office Unified Model for the Boscastle (Cornwall, UK) flash-flooding event of 16 August 2004. Forecast uncertainties arising from imperfections in the forecast model are analysed by comparing the simulation results produced by two types of perturbation strategy. Motivated by the meteorology of the event, one type of perturbation alters relevant physics choices or parameter settings in the model's parametrization schemes. The other type of perturbation is designed to account for representativity error in the boundary-layer parametrization. It makes direct changes to the model state and provides a lower bound against which to judge the spread produced by other uncertainties. The Boscastle has genuine skill at scales of approximately 60 km and an ensemble spread which can be estimated to within ∼ 10% with only eight members. Differences between the model-state perturbation and physics modification strategies are discussed, the former being more important for triggering and the latter for subsequent cell development, including the average internal structure of convective cells. Despite such differences, the spread in rainfall evaluated at skilful scales is shown to be only weakly sensitive to the perturbation strategy. This suggests that relatively simple strategies for treating model uncertainty may be sufficient for practical, convective-scale ensemble forecasting

The Met Office Unified Model Global Atmosphere 7.0/7.1 and JULES Global Land 7.0 configurations

We describe Global Atmosphere 7.0 and GlobalLand 7.0 (GA7.0/GL7.0), the latest science configurations of the Met Office Unified Model (UM) and the Joint UK Land Environment Simulator (JULES) land surface model developed for use across weather and climate timescales. GA7.0 and GL7.0 include incremental developments and targeted improvements that, between them, address four critical errors identified in previous configurations: excessive precipitation biases over India, warm and moist biases in the tropical tropopause layer (TTL), a source of energy non-conservation in the advection scheme and excessive surface radiation biases over the Southern Ocean. They also include two new parametrisations, namely the UK Chemistry and Aerosol(UKCA) GLOMAP-mode (Global Model of Aerosol Processes) aerosol scheme and the JULES multi-layer snow scheme, which improve the fidelity of the simulation and were required for inclusion in the Global Atmosphere/Global Land configurations ahead of the 6th Coupled Model Inter-comparison Project (CMIP6).In addition, we describe the GA7.1 branch configuration, which reduces an overly negative anthropogenic aerosol effective radiative forcing (ERF) in GA7.0 whilst maintaining the quality of simulations of the present-day climate. GA7.1/GL7.0 will form the physical atmosphere/land component in the HadGEM3–GC3.1 and UKESM1 climate model submissions to the CMIP6

Heat stress increase under climate change twice as large in cities as in rural areas : a study for a densely populated midlatitude maritime region

Urban areas are usually warmer than their surrounding natural areas, an effect known as the urban heat island effect. As such, they are particularly vulnerable to global warming and associated increases in extreme temperatures. Yet ensemble climate-model projections are generally performed on a scale that is too coarse to represent the evolution of temperatures in cities. Here, for the first time, we combine unprecedented long-term (35years) urban climate model integrations at the convection-permitting scale (2.8km resolution) with information from an ensemble of general circulation models to assess temperature-based heat stress for Belgium, a densely populated midlatitude maritime region. We discover that the heat stress increase toward the mid-21st century is twice as large in cities compared to their surrounding rural areas. The exacerbation is driven by the urban heat island itself, its concurrence with heat waves, and urban expansion. Cities experience a heat stress multiplication by a factor 1.4 and 15 depending on the scenario. Remarkably, the future heat stress surpasses everywhere the urban hot spots of today. Our results demonstrate the need to combine information from climate models, acting on different scales, for climate change risk assessment in heterogeneous regions. Moreover, these results highlight the necessity for adaptation to increasing heat stress, especially in urban areas

Modelling of extreme precipitation in Belgium.

Neerslag is wellicht het meest problematische aspect van de weersvoorspe lling in elk atmosfeermodel, omwille van de verschillende schalen waarop de neerslagvorming speelt en het amalgaam van interagerende processen d ie uiteindelijk tot neerslag aan het oppervlak leiden. Dankzij toenemend e rekenkracht van computers en een beter begrip en voorstelling van de f ysische processen in atmosfeermodellen, is het vandaag technisch mogelij k om individuele buiensystemen operationeel te voorspellen. De vooruitga ng in de simulatie van neerslag is totnogtoe echter eerder teleurstellen d. Gemodelleerde systemen zijn vaak te intens en verschijnen op verkeerd e plaatsen en op verkeerde momenten. Vele aspecten van zulke convectie-o plossende modellen zijn onderwerp geweest van gedetailleerde studies m.b .t. de kwantitatieve neerslagvoorspelling, maar geen enkele was in staat één enkel facet van de modellen aan te duiden dat verantwoordelijk was voor de slechte neerslagvoorspelling. Het belangrijkste doel van deze dissertatie is om een groot aantal recen t beschikbare ruimtelijk verdeelde observatiegegevens te gebruiken om zo veel mogelijk van de relevante gesimuleerde interagerende processen in de atmosfeer te evalueren. Via het uitvoeren van een groot aantal gevoel igheidsstudies naar bodemvochtinitialisatie, de grootteverdelingen van d e verschillende neerslagtypes, de ruimtelijke resolutie en zelfs numerie ke onnauwkeurigheden voor intense neerslagevents, wordt verwacht dat de kennis over de relevantie van elk van deze aspecten voor oppervlakteneer slag verbeterd zal kunnen worden. Voor twee situaties met intense convectie werd gevonden dat het voordeel van ruimtelijk verdeelde bodemeigenschappen in atmosfeermodellen (tegen over ruimtelijk homogene bodemeigenschappen) erg klein was, hoewel het b elangrijk is om het gemiddelde bodemvochtgehalte correct te initialisere n voor een realistische simulatie van koudepoelintensiteit, buienstructu ur en oppervlakteneerslag. Verder werd een mechanisme voorgesteld om de omgekeerde relatie te verklaren tussen oppervlakteneerslag en bodemvocht gehalte, die gevonden werd in onze simulaties maar ook in eerdere studie s. Een hoger bodemvochtgehalte leidt tot gunstigere thermodynamische oms tandigheden voor buienvorming, maar aan de andere kant zwakkere koudepoe len onder de buien, omwille van beperkte verdampingskoeling in vochtige grenslagen. Voor vele buiensystemen zijn zowel de thermodynamische omsta ndigheden als de koudepoelkarakteristieken van groot belang voor de inte nsiteit. Wanneer de horizontale resolutie verder verhoogd werd, bleek de geparameterizeerde turbulentie in de grenslaag te beperkt te worden waa rdoor te veel turbulente bewegingen werden opgelost door het modelgrid z elf. Deze buitensporige turbulenties werder vlot opwaarts getranporteerd in een situatie met sterke windschering, wat aanleiding gaf tot intense buien ter grootte van slechts één enkele grid cell Een groot aantal gevoeligheidsexperimenten naar de grootteverdeling van de neerslaande hydrometeoren (regen, sneeuw en hagel) werden uitgevoerd voor drie situaties met intense neerslag en deze werden rigoreus ge-eval ueerd aan de hand van ruimtelijk verdeelde teledetectiedata (satelliet e n radar). De frequentieverdeling van de wolken-optische dikte kon enkel realistisch gesimuleerd worden wanneer hagel vervangen werd door korrelh agel. Dit kon worden gerelateerd aan overmatige hoeveelheden sneeuw in e xperimenten met hagel. Het verticale radar reflectiviteitsprofiel verbet erde significant tijdens de simulatie van stratiforme neerslag wanneer h agel vervangen werd door korrelhagel. Tijdens convectieve neerslag echte r, was hagel noodzakelijk om de sterk reflectieve neerslagkernen te simu leren. Verder verslechterde de verticale buienstructuur en de oppervlakt eneerslagstructuur sterk wanneer hagel vervangen werd door korrelhagel. Daarom werd geconcludeerd dat in een operationeel model zowel hagel als korrelhagel zouden moeten inbegrepen zijn in de microfysica parameterisa tie. Oppervlakteneerslag was veel minder gevoelig aan de voorgestelde mo dificaties. Tijdens de simulatie van een ondiepe supercell over België werd bevonden dat wanneer hagel vervangen werd door korrelhagel, de oppervlakteneersl ag licht toenam, in tegenstrijd tot vele eerdere studies. Er werd aanget oond dat deze toename te wijten was aan contrasterende effecten van aan de ene kant verminderde neerslagefficiëntie (gerelateerd aan intense kor relhagelsublimatie) en aan de andere kant gunstigere thermodynamische om standigheden (gerelateerd aan rijmingprocessen). We toonden aan dat de g evoeligheid van gesimuleerde buien voor veranderingen aan de grootteverd eling van de grootste ijshydrometeoor in modellen sterk afhangt van de diepte van de buien. In diepe buien treedt namelijk veel meer sublimatie van korrelhagel op en bijgevolgd is de neerslagefficiëntie er lager in vergelijking met ondiep e buien die korrelhagel bevatten. Verder toonden we aan dat terwijl het implementeren van meer realistische sneeuwgrootteverdelingen geen invloe d had op de buienkarakteristieken, meer realistische regengrootteverdeli ngen de geaccumuleerde opppervlakteneerslag duidelijk verbeteren. Dit kw am door het verkleinen van de koudepoel aangezien er minder verdamping v an regen optrad aan de randen van koudepoelen onder buien. Hierdoor werd de neerslagoppervlakte van de buien typisch verkleind. Tenslotte werd o ntdekt dat de bijdrage van het kunstmatig toevoegen van water aan het mo del in verband met numerieke onnauwkeurigheden in het vochttranport van het model niet verwaarloosbaar is en belangrijke hoevelheden water toevo egt aan het model (tot meer dan 30 %). Bij een experiment waarin het mod el geforceerd werd om de totale hoeveelheid water te behouden, werd de o ppervlakteneerslag duidelijk beter gesimuleerd. Voor twee composieten die respectievelijk 15 stratiforme en 15 convectie ve weersituaties bevatten, konden we de meeste van de bevindingen hierbo ven gemaakt werden, bevestigen. Korrelhagel werd noodzakelijk bevonden o m de stralingseigenschappen van wolken correct te simuleren, terwijl opp ervlakteneerslag ongevoelig was voor elk van de experimenten met variabe le grootteverdelingen. De positieve neerslagafwijking kon sterk verbeter d worden door het model te dwingen om de totale hoeveelheid water in het model te behouden. Het grote voordeel van het integreren van atmosfeerm odellen met een hogere resolutie op dit moment is dat de voorstelling va n de structuur van buien en de fysica van de convectieve systemen is ver beterd, hoewel weinig verbetering werd gevonden in de neerslaghoeveelhed en.nrpages: 219status: publishe

Contributions to the Study of Affine Processes with Applications in Insurance

Cette thèse est consacrée à l’étude de certains processus affines d’un point de vue théorique ainsi que appliqué par le biais d’applications en mathématiques actuarielles. Les processus affines sont des processus markoviens homogènes dont la transformée de Laplace du semi-groupe admet une structure exponentielle affine en son état initial. En vertu de leur riche structure, ces processus trouvent de nombreuses applications en biologie, physique et en mathématique de l’économie. Dans le chapitre 1, nous considérons les processus CBI (Continuous state Branching with Immigration) qui correspondent à un exemple de processus affines à valeurs dans la demi- droite réelle positive. Notre objectif dans ce chapitre consiste à étudier la transformée de Laplace du temps d’atteinte de ces processus à un niveau donné. Notre approche est basée sur un récent développement de Patie and Vigon [2015] concernant la théorie du potentiel pour la classe des processus de Markov complètement asymétriques à valeurs dans la droite réelle. Dans un premier temps, cette approche originale nous permet de donner une expression pour la transformée de Laplace du premier temps d’atteinte d’un niveau qui se trouve en dessous du point de départ du processus et ainsi de retrouver par une approche plus générale le résultat récemment obtenu par Duhalde et al. [2014]. Dans un deuxième temps, nous nous intéressons au cas où le niveau à atteindre se trouve au-dessus du point de départ du processus. Dans ce cadre, la situation est plus compliquée puisque le processus admet des sauts positifs. Néanmoins, nous sommes capable de donner une expression pour la transformée de Laplace de ce temps d’atteinte. Dans le chapitre 2, nous considérons les processus Wishart qui correspondent à un exemple de processus affines à valeurs dans le cône des matrices symétriques semi-définies positives. Plus précisément, nous considérons des processus de Wishart sans retour à la moyenne et nous étudions le problème de déterminer le plus petit instant tel que la transformée de Laplace du processus et/ou son intégrale devienne infinie. Le problème de déterminer le domaine maximal d’existence d’une transformée de Laplace est une préoccupation importante et cruciale, pas seulement d’un point de vue théorique, mais surtout pour des raisons pratiques liées à l’implémentation numérique. Sous une faible hypothèse de commutativité, nous obtenons le temps d’explosion de la transformée de Laplace jointe. Cette hypothèse disparaît lorsque l’on s’intéresse aux temps d’explosion de la transformée de Laplace de l’intégrale du processus ou du processus seul. De plus, nous expliquons le comportement du temps d’explosion en terme du rôle de la corrélation entre les facteurs positifs, ce qui va au-delà des résultats unidimensionnels que l’on peut retrouver dans la littérature. Dans le chapitre 3, nous considérons des modèles affines où une structure de dépendance entre les taux de mortalité et d’intérêt existe. Nous nous concentrons sur deux sortes de modèles. Le premier modèle suppose que les dynamiques de la mortalité et du processus de taux d’intérêt sont conduits par un processus de Cox-Ingersoll-Ross (CIR) multidimensionnel et le second par un processus de Wishart. Dans ce contexte, nos objectifs consistent à déterminer des formules pour les prix de certains contrats d’assurance tels que les options annuités garanties ainsi que d’étudier l’influence d’une structure de dépendance sur ces prix. En suivant la méthodologie introduite par Jalen and Mamon [2009], nous commençons par dériver une formule pour le prix de ces contrats. Ensuite, nous étudions la sensibilité du prix de ces contrats par rapport à la structure de dépendance entre les taux de mortalité et d’intérêt. Nous observons que dans un modèle affine général comme le modèle de Wishart qui permet de reproduire une structure de dépendance stochastique et plus riche entre les taux de mortalité et d’intérêt, plusieurs scénarios pour les prix peuvent être reproduits.Doctorat en Sciencesinfo:eu-repo/semantics/nonPublishe

Contributions to the Study of Affine Processes with Applications in Insurance

Cette thèse est consacrée à l’étude de certains processus affines d’un point de vue théorique ainsi que appliqué par le biais d’applications en mathématiques actuarielles. Les processus affines sont des processus markoviens homogènes dont la transformée de Laplace du semi-groupe admet une structure exponentielle affine en son état initial. En vertu de leur riche structure, ces processus trouvent de nombreuses applications en biologie, physique et en mathématique de l’économie. Dans le chapitre 1, nous considérons les processus CBI (Continuous state Branching with Immigration) qui correspondent à un exemple de processus affines à valeurs dans la demi- droite réelle positive. Notre objectif dans ce chapitre consiste à étudier la transformée de Laplace du temps d’atteinte de ces processus à un niveau donné. Notre approche est basée sur un récent développement de Patie and Vigon [2015] concernant la théorie du potentiel pour la classe des processus de Markov complètement asymétriques à valeurs dans la droite réelle. Dans un premier temps, cette approche originale nous permet de donner une expression pour la transformée de Laplace du premier temps d’atteinte d’un niveau qui se trouve en dessous du point de départ du processus et ainsi de retrouver par une approche plus générale le résultat récemment obtenu par Duhalde et al. [2014]. Dans un deuxième temps, nous nous intéressons au cas où le niveau à atteindre se trouve au-dessus du point de départ du processus. Dans ce cadre, la situation est plus compliquée puisque le processus admet des sauts positifs. Néanmoins, nous sommes capable de donner une expression pour la transformée de Laplace de ce temps d’atteinte. Dans le chapitre 2, nous considérons les processus Wishart qui correspondent à un exemple de processus affines à valeurs dans le cône des matrices symétriques semi-définies positives. Plus précisément, nous considérons des processus de Wishart sans retour à la moyenne et nous étudions le problème de déterminer le plus petit instant tel que la transformée de Laplace du processus et/ou son intégrale devienne infinie. Le problème de déterminer le domaine maximal d’existence d’une transformée de Laplace est une préoccupation importante et cruciale, pas seulement d’un point de vue théorique, mais surtout pour des raisons pratiques liées à l’implémentation numérique. Sous une faible hypothèse de commutativité, nous obtenons le temps d’explosion de la transformée de Laplace jointe. Cette hypothèse disparaît lorsque l’on s’intéresse aux temps d’explosion de la transformée de Laplace de l’intégrale du processus ou du processus seul. De plus, nous expliquons le comportement du temps d’explosion en terme du rôle de la corrélation entre les facteurs positifs, ce qui va au-delà des résultats unidimensionnels que l’on peut retrouver dans la littérature. Dans le chapitre 3, nous considérons des modèles affines où une structure de dépendance entre les taux de mortalité et d’intérêt existe. Nous nous concentrons sur deux sortes de modèles. Le premier modèle suppose que les dynamiques de la mortalité et du processus de taux d’intérêt sont conduits par un processus de Cox-Ingersoll-Ross (CIR) multidimensionnel et le second par un processus de Wishart. Dans ce contexte, nos objectifs consistent à déterminer des formules pour les prix de certains contrats d’assurance tels que les options annuités garanties ainsi que d’étudier l’influence d’une structure de dépendance sur ces prix. En suivant la méthodologie introduite par Jalen and Mamon [2009], nous commençons par dériver une formule pour le prix de ces contrats. Ensuite, nous étudions la sensibilité du prix de ces contrats par rapport à la structure de dépendance entre les taux de mortalité et d’intérêt. Nous observons que dans un modèle affine général comme le modèle de Wishart qui permet de reproduire une structure de dépendance stochastique et plus riche entre les taux de mortalité et d’intérêt, plusieurs scénarios pour les prix peuvent être reproduits.Doctorat en Sciencesinfo:eu-repo/semantics/nonPublishe

Impact of environmental instability on convective precipitation uncertainty associated with the nature of the rimed ice species in a bulk microphysics scheme

Despite a number of studies dedicated to the sensitivity of deep convection simulations to the properties of the rimed ice species in microphysics schemes, no consensus has been achieved on the nature of the impact. Considering the need for improved quantitative precipitation forecasts, it is crucial that the cloud modeling community better understands the reasons for these differing conclusions and knows the relevance of these sensitivities for the numerical weather prediction. This study examines the role of environmental conditions and storm type on the sensitivity of precipitation simulations to the nature of the rimed ice species (graupel or hail). Idealized 3D simulations of supercells/multicells and squall lines have been performed in varying thermodynamic environments. It has been shown that for simulation periods of sufficient length (.2 h), graupel-containing and hail-containing storms produce domain-averaged surface precipitation that is more similar than many earlier studies suggest. While graupel is lofted to higher altitudes and has a longer residence time aloft than hail, these simulations suggest that most of this graupel eventually reaches the surface and the surface precipitation rates of hail- and graupel-containing storms converge. However, environmental conditions play an important role in the magnitude of this sensitivity. Storms in large-CAPE environments (typical of storms in the U.S. Midwest) are more sensitive than their low-CAPE counterparts (typical of storms in Europe) to the nature of the rimed ice species in terms of domain-average surface precipitation. Supercells/multicells are more sensitive than squall lines to the nature of the rimed ice species in terms of spatial precipitation distribution and peak precipitation, disregarding of the amount of CAPE. © 2013 American Meteorological Society