@PhDThesis{Diniz:2019:40PeCo,
author = "Diniz, F{\'a}bio Luiz Rodrigues",
title = "A 40-year perspective on the contribution of observations to
forecast error reduction",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2019",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2019-08-26",
keywords = "numerical weather prediction, data assimilation, observation
impact, previs{\~a}o num{\'e}rica de tempo,
assimila{\c{c}}{\~a}o de dados, impacto das
observa{\c{c}}{\~o}es.",
abstract = "Operational and quasi-operational weather prediction centers have
been routinely assessing the contribution from various observing
systems to reducing errors in shortrange forecasts for a number of
years now. The original technique, Forecast Sensitivity
Observation Impact (FSOI), involves definition of a forecast error
measure and evaluation of sensitivities with respect to changes in
the observations that require adjoint operators of both the
underlying tangent linear model and corresponding analysis
technique. The present work applies FSOI to reanalysis and aims at
providing an expanded view of the contribution of various
observing systems over nearly 40 years of assimilation.
Specifically, this study uses MERRA-2 given that its supporting
software includes all ingredients necessary to calculate FSOI.
Part of this work shows how the quality of forecasts improves over
the course of the reanalysis, and examines forecast sensitivities
relevant to FSOI. The global assessment here finds, for example,
that: conventional observations are a major player in reducing
forecast error throughout the 40 years of reanalysis, even when
their volume reduces from 45% in the earlier periods to about 5%
in the modern era; satellite radiances, especially microwave
instruments, are major contributors to error reduction from the
early single platform TIROS-N days to the current multi-platform
scenario; though their fractional contribution reduces slightly
from the early 2000s onward after the increased availability of
wind observation from aircraft and atmospheric motion vector
(AMV), and the introduction of GPSRO; infrared instruments play a
secondary role to microwave but are significant still, with the
peculiar result of fractional impacts contribution from modern
hyperspectral instruments being roughly similar to those from
early infrared instruments. This work also provides an assessment
of these impacts over the Amazon basin. Over this region, under
self-verification, forecast errors are found to slightly increase
from the early data-sparse days to more recent years, when data
dramatically increases. Throughout the reanalysis, satellite
radiances dominate in volume, but only in before 1999 they
dominate the impacts. Beyond 1999, over 50% of forecast error
reduction is associated with conventional observations
(radiosondes). AMVs are also found to be large contributors to
error reduction, but their contribution reduces in dry periods. In
opposition to AMVs, satellite radiances tend to contribute more in
the dry season. Results provide motivation for additional
conventional observations and the use of all-sky treatment of
radiances. The dependence of results on the chosen error measure
is emphasized throughout. RESUMO: Centros de previs{\~a}o de
tempo operacionais e quase-operacionais tem avaliado
rotineiramente a contribui{\c{c}}{\~a}o de v{\'a}rios sistemas
de observa{\c{c}}{\~a}o para reduzir os erros das previs{\~o}es
de curto prazo h{\'a} v{\'a}rios anos. A t{\'e}cnica original,
denominada Impacto Observa{\c{c}}{\~a}o Sensibilidade
Previs{\~a}o (FSOI), envolve a defini{\c{c}}{\~a}o de uma
medida de erro de previs{\~a}o e a avalia{\c{c}}{\~a}o das
sensibilidades com rela{\c{c}}{\~a}o {\`a}s
condi{\c{c}}{\~o}es iniciais e observa{\c{c}}{\~o}es, as quais
requerem operadores adjuntos de ambos: o modelo linear tangente e
a t{\'e}cnica de an{\'a}lise correspondente. O presente trabalho
aplica a t{\'e}cnica FSOI em uma rean{\'a}lise e visa fornecer
uma perspectiva da contribui{\c{c}}{\~a}o de v{\'a}rios
sistemas de observa{\c{c}}{\~a}o ao longo de quase 40 anos de
assimila{\c{c}}{\~a}o. Especificamente, este estudo utiliza o
MERRA-2, uma vez que seus utilit{\'a}rios incluem todos os
ingredientes necess{\'a}rios para calcular a t{\'e}cnica FSOI.
Parte deste trabalho mostra como a qualidade das previs{\~o}es
melhora ao longo da rean{\'a}lise, e examina as sensibilidades
das previs{\~o}es relevantes para a t{\'e}cnica FSOI. A
avalia{\c{c}}{\~a}o global aqui encontra, por exemplo, que: as
observa{\c{c}}{\~o}es convencionais s{\~a}o as mais importantes
na redu{\c{c}}{\~a}o dos erros de previs{\~a}o ao longo dos 40
anos de rean{\'a}lise, mesmo quando o seu volume diminui de 45%
nos per{\'{\i}}odos iniciais para aproximadamente 5% na era
moderna; radi{\^a}ncias de sat{\'e}lites, especialmente
instrumentos de microondas, s{\~a}o os principais contribuidores
para a redu{\c{c}}{\~a}o de erros desde a {\'e}poca da
plataforma {\'u}nica TIROS-N at{\'e} o atual cen{\'a}rio de
multiplataformas; embora sua contribui{\c{c}}{\~a}o fracional
diminua ligeiramente a partir do in{\'{\i}}cio dos anos 2000,
ap{\'o}s o aumento da disponibilidade de observa{\c{c}}{\~a}o
de vento de avi{\~o}es e de Vetores de Movimento Atmosf{\'e}rico
(AMVs) e a introdu{\c{c}}{\~a}o das observa{\c{c}}{\~o}es de
Radio Oculta{\c{c}}{\~a}o do Sistema de Posicionamento Global
(GPSRO); instrumentos infravermelho desempenham um papel
secund{\'a}rio com rela{\c{c}}{\~a}o aos instrumentos de
microondas, mas ainda assim significativos, com o resultado
peculiar da contribui{\c{c}}{\~a}o dos impactos fracionais dos
instrumentos hiperespectrais modernos ser semelhante aos dos
primeiros instrumentos infravermelho. Este trabalho tamb{\'e}m
fornece uma avalia{\c{c}}{\~a}o desses impactos sobre a bacia
amaz{\^o}nica. Nesta regi{\~a}o, os erros de previs{\~a}o
aumentam ligeiramente desde os primeiros dias, os quais eram
esparsos de dados at{\'e} o per{\'{\i}}odo mais recente, quando
os dados aumentam dramaticamente. Ao longo da rean{\'a}lise,
radi{\^a}ncias de sat{\'e}lite dominam em volume, por{\'e}m
somente dominam os impactos antes no per{\'{\i}}odo pr{\'e}vio
{\`a} 1999. A partir dos anos 2000, mais de 50% da
redu{\c{c}}{\~a}o dos erros das previs{\~o}es est{\'a}
associada {\`a}s observa{\c{c}}{\~o}es convencionais
(principalmente radiossondas). AMVs tamb{\'e}m s{\~a}o
considerados grandes contribuidores para a redu{\c{c}}{\~a}o dos
erros, por{\'e}m sua contribui{\c{c}}{\~a}o apresenta
sazonalidade, reduzindo sua contribui{\c{c}}{\~a}o nos
per{\'{\i}}odos secos. Ao contr{\'a}rio dos AMVs, as
radi{\^a}ncias de sat{\'e}lites tendem a contribuir mais durante
a esta{\c{c}}{\~a}o seca. Os resultados fornecem
motiva{\c{c}}{\~a}o para adi{\c{c}}{\~a}o de
observa{\c{c}}{\~o}es convencionais e o tratamento das
radi{\^a}ncias por meio da t{\'e}cnica todo-o-c{\'e}u (do
ingl{\^e}s all-sky). A depend{\^e}ncia dos resultados {\`a}
medida de erro escolhida {\'e} enfatizada.",
committee = "Arav{\'e}quia, Jos{\'e} Ant{\^o}nio (presidente) and Herdies,
Dirceu Luis (orientador) and Todling, Ricardo (orientador) and
Coelho, Simone Marilene Sievert da Costa and Dias, Pedro Leite da
Silva and Harter, Fabr{\'{\i}}cio Pereira",
englishtitle = "Uma perspectiva de 40 anos sobre as contribui{\c{c}}{\~o}es das
observa{\c{c}}{\~o}es {\`a} redu{\c{c}}{\~a}o dos erros das
previs{\~o}es",
language = "en",
pages = "110",
ibi = "8JMKD3MGP3W34R/3TTLN6B",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34R/3TTLN6B",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "28 abr. 2024"
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