Sensitivity analysis of Mediterranean High Impact Weather: from the climatological to the operational targeting campaign perspectives

Abstract

[cat] L’augment de la cobertura geogr`afica de les observacions, i de la qualitat i diversitat d’aquestes, conduiria a unes an`alisis atmosf`eriques millorades. Com a conseq¨u`encia, es millorarien les prediccions del temps ja que els errors dels models de predicci´o depenen sensiblement de la incertesa a les condicions inicials. Les an`alisis de sensibilitat respecte a estats precursors i processos involucrats en l’evoluci´o d’un sistema obren la porta per establir estrat`egies observacionals optimitzades. Les t`ecniques d’an`alisi de sensibilitat destaquen trets atmosf`erics precursors que tenen un efecte rellevant en un particular aspecte d’inter`es de la predicci´o. Aix`o permet avaluar regions en les condicions inicials on els errors creixeran r`apidament en la simulaci´o, i provocaran grans errors en la predicci´o si no s´on mitigats amb observacions adients. La informaci´o derivada de les an`alisis de sensibilitat proporciona els fonaments per als qui prenen les decisions en el disseny de xarxes observacionals rutin`aries i estrat`egies observacionals orientades. En favor de l’efici`encia, les estrat`egies observacionals optimitzades han de tenir en compte els events atmosf`erics d’alt impacte

pels beneficis potencials que es derivarien d’una millora de les prediccions. Per tant, aquesta tesi explora l’aplicaci´o de les an`alisis de sensibilitat a events meteorol`ogics d’alt impacte, majorit`ariament relacionats amb ciclons mediterranis intensos. La t`ecnica de c`alcul de sensibilitats per conjunts ha estat proposada recentment com una alternativa de baix cost computacional per a les an`alisis de sensibilitat. En ess`encia, el c`alcul de sensibilitats per conjunts empra estad´ıstica senzilla per estimar relacions lineals entre camps predits i les corresponents condicions precursores. En aquest context te`oric, aquesta tesi proposa el c`alcul de sensibilitats estad´ıstiques climatol`ogiques per mitj`a d’una climatologia de ciclons mediterranis. Per tal de millorar la fiabilitat dels resultats clim`atics de sensibilitat, es construeix una classificaci´o ad hoc de ciclons mediterranis intensos. No obstant aix`o, una verificaci´o objectiva ´es essencial per a proporcionar, en ´ultima inst`ancia, un suport inequ´ıvoc a les pol´ıtiques per a redefinir les estrat`egies d’observaci´o meteorol`ogica rutin`aria. Per tant, aquesta tesi tamb´e inclou l’`ardua tasca de verificaci´o de les dues climatologies de sensibilitats per conjunts calculades i d’una climatologia de sensibilitats, preexistent, basada en el model adjunt. Amb aquesta finalitat, els Experiments de Simulaci´o de Sistemes d’Observaci´o (OSSE) s’empren per a posar a prova l’habilitat de cada m`etode en identificar `arees on pertorbacions en les condicions inicials condueixen de manera efectiva a un major impacte en la predicci´o del cicl´o intens. Pel b´e d’una refer`encia calibrada dels resultats de la verificaci´o, el rendiment de les climatologies de sensibilitat es posa a prova enfront del coneixement d’un meteor`oleg experimentat que assenyala la regi´o on una pertorbaci´o en les condicions inicials tendria el major impacte en la predicci´o de la profunditat del cicl´o. Els resultats confirmen la millora de les climatologies de sensibilitat estad´ıstica quan es fa servir

una classificaci´o de ciclons ad hoc. No obstant aix`o, l’´esser hum`a i els camps de sensibilitat adjunts mostren una capacitat significativament major enfront de les dues climatologies de sensibilitats estad´ıstiques. Els resultats de la verificaci´o revelen una limitaci´o fonamental de la t`ecnica estad´ıstica de sensibilitats per a prop`osits clim`atics quan ´es aplicada a events poc freq¨uents, com ara alguns tipus de ciclons intensos, insuficientment mostrejats en les bases de dades actualment disponibles. No obstant aix`o, la campanya observacional DTS-MEDEX-2009 ofereix un entorn ´unic per provar el rendiment dels productes de sensibilitat per conjunts en un context operacional. Aix´ı doncs, la t`ecnica de sensibilitats per conjunts ´es aplicada en la seva versi´o original, emprant conjunts de simulacions, per als casos de la campanya DTS-MEDEX-2009. Els productes de sensibilitat derivats estan d’acord amb altres c`alculs de sensibilitat disponibles durant la campanya d’observaci´o orientada. Tot i aix`o, les tasques de verificaci´o objectiva s´on objecte de futures investigacions.

[eng] Sensitivity analysis provides the basis for decision makers regarding the design of both efficient routine observing networks and special targeted observation strategies. This thesis tackles the application of sensitivity analysis to high impact weather events. This thesis proposes to compute climatological statistical sensitivities by means of a climatology of Mediterranean cyclones and also covers the arduous task of verifying of the derived ensemble sensitivity climatologies together with an already available adjoint-based sensitivity climatology. The performance of the sensitivity climatologies is tested against an experienced meteorologist. Results confirm the improvement of climatological ensemble sensitivities when an ad hoc classification of cyclones is used. However, a significantly superior skill is shown for the human and adjoint sensitivity fields against both ensemble sensitivity climatologies. The ensemble sensitivity technique is also applied to the DTS-MEDEX-2009 targeting cases. The derived ensemble sensitivity products are in agreement with other available sensitivity computations during the targeting campaign.