Breeding with the NSIPP globalcoupled model: applications to ENSOprediction and data assimilationBreeding with the NSIPP globalcoupled model: applications to ENSOprediction and data assimilation
Shu-Chih YangShu-Chih Yang
   Advisors: Profs. Eugenia Kalnayand Ming Cai   Advisors: Profs. Eugenia Kalnayand Ming Cai
OutlineOutline
Introduction
Objectives
NASA/NSIPP CGCM
Breeding method
Results from a 10-year perfect modelexperiment
Comparison with breeding in NCEP CGCM
Summary
NSIPP operational system: preliminary results
IntroductionIntroduction
ENSO simulation
Because the coupled nature of ENSO phenomenon, the key factor tosimulate and predict ENSO lies in the correct depiction of SST.
ENSO prediction skill
The prediction skill of a coupled model can be significantly improvedthrough more refined initialization procedures (ex: Chen et al.,1995 andRosati et al, 1997)
Initialization of operational ensemble forecast for CGCMs
Two-tier (Bengtsson et al., 1993)
An ensemble of atmospheric forecast generated by a forecasted SST
One-tier (Stockdale et al., 1998, adopted in ECMWF)
Generate all the ensemble members via CGCM
Initial perturbations are introduced in atmosphere components only
How to construct effective ensemblemembers?
2 methods have been considered to constructinitial perturbations:
Singular vectors have been used for ENSOprediction with the Cane and Zebiak model
Limitations
Strong dependence on the choice of norm andoptimization time
High computational cost makes it impractical for CGCMs
Breeding methodBreeding method
Toth and Kalnay (1996)Toth and Kalnay (1996)
Cai et al. (2002) with CZ modelCai et al. (2002) with CZ model
Bred vectors are sensitive to the background ENSO,showing that the growth rate is weakest at the peak timeof the ENSO states and strongest between the events.
Bred vectors can be applied to improve the forecast skilland reduce the impact of the “spring-barrier”.
The results show the potential impact for ensembleforecast and data assimilation
egs03L
Spring Barrier”: The “dip” in the error growth chart indicates a large errorgrowth for forecasts that begin in the spring and pass through the summer.Removing the BV from the initial errors reduces the spring barrier
Monthly Amplification Factor of Bred Vector
Background ENSO
El Niño
La Niña
La Niña
Improvement on ensemble forecastsImprovement on ensemble forecasts
FCT error with BV
FCT error with RDM
Objectives of this researchObjectives of this research
Implement the breeding method with the NASA/NSIPPCGCM
Construct effective perturbations for initial conditions ofENSO ensemble forecasts
Test methods first with a “perfect model” simulation todevelop understanding
Apply methodology to NSIPP operational system,which is more complex (e.g. model errors)
The ultimate goals is to improve seasonal andinterannual forecasts through ensemble forecastingand data assimilation using coupled breeding
NASA Seasonal-to InterannualPrediction (NSIPP) coupled GCMNASA Seasonal-to InterannualPrediction (NSIPP) coupled GCM
AGCM (Suarez, 1996)AGCM (Suarez, 1996)
Model features
Primitive equations
Empirical cloud diagnostic model
4th-order version of the enstrophyconserving scheme
4th-order horizontal advection schemes forpotential temperature, moisture
Penetrative convection parameterized withRelaxed Arakawa-Schubert scheme
Coordinates
Finite-difference C grid in horizontal
Generalized sigma coordinate
Resolution
2 2.534 levels
OGCMOGCM
Poseidon V4, (Schopf and Loughe,1995)Poseidon V4, (Schopf and Loughe,1995)
Model features
Quasi-isopycnal model
Reduced-gravity formulation
Turbulent well-mixed layer with entrainmentparameterized according to a Kraus-Turner bulkmixed layer model
Vertical mixing and diffusion are parameterizedusing a Richardson number dependent scheme
Horizontal mixing is implemented with high orderShapiro filtering
Coordinates
generalized horizontal and vertical coordinates
Resolution
13 58 27 layers
Current prediction skill from NSIPP CGCM hindcasts
Observations
Ensemble member
Ensemble mean
Niño-3 Forecast SST anomalies up to 9-month lead
Niño-3 Forecast SST anomalies up to 9-month lead
April 1 starts
September 1 starts
Breeding methodBreeding method
Bred vectors :
          The differences between the control forecast and perturbed runs
Tuning parameters
Size of perturbation
Rescaling period (important for coupled system)
Advantages
Low computational cost
Easy to apply to CGCM
10 years breeding “perfect model” experiment10 years breeding “perfect model” experiment
Breeding
Size of perturbation: 10% of the RMS of the SSTA (0.085C)
Rescaling period: one month
CGCM
AGCM
NSIPP-1: 3° X 3.75° X 34 (global)
OGCM
Poseidon V4: 1/2° X 1.25° X 27 (90S - 72N)
NINO3 INDEX(ºC)
SOI INDEX
Snapshot of background SST (color)and bred vector SST (contour)
Instabilities associated with the equatorial waves inthe NSIPP coupled model are naturally captured bythe breeding method
bvsst_t55
model year JUN2024
BV grows before thebackground event
Peak of thebackground event
Lead/lag correlation between
BV growth rate and
absolute value of background NINO3 index
Lead/lag correlation betweenBV growth rate andabsolute value of BV NINO3 index
EOF analysis of SSTEOF analysis of SST
Background SST anomaly EOF1 (46%)
BV SST EOF1 (11%)
EOF analysis of thermocline (Z20)EOF analysis of thermocline (Z20)
Background Z20 EOF1 (22%)
Background Z20 EOF2 (16%)
BV Z20 EOF1 (10%)
BV Z20 EOF2 (7%)
Z20 EOF2, SST EOF1 represent the mature phase of ENSO
Oceanic maps regressed with PCsOceanic maps regressed with PCs
Background:
regressed with SST PC1
BV:
regressed with Z20 PC1
SST
Thermocline
(Z20)
Surface zonalcurrent
Atmospheric maps regressed with PCsAtmospheric maps regressed with PCs
Tropical Pacific domain
Wind
 at 850mb
Surfacepressure
Geopotential
at 500mb
OLR
Background
BV
Atmospheric maps regressed with PCsAtmospheric maps regressed with PCs
Northern Hemisphere
BV
Background
Sea-levelpressure
Geopotential
at 200mb
Even though the breeding rescaling is in the Nino3region, the atmospheric response is global
Southern Hemisphere
BV
Background
Sea-levelpressure
Geopotential
at 200mb
Atmospheric maps regressed with PCsAtmospheric maps regressed with PCs
Lead/lag regression mapsLead/lag regression maps
BV SST vs. | CNT NINO3 |
BV zonal wind stress
vs. | CNT NINO3 |
BV surface height vs. | CNT NINO3 |
Bred vector leads ENSO episodein the Eastern Pacific
Bred vector lags ENSO episodein the Central Pacific
NASA/NSIPP BV vs. NCEP/CFS BVNASA/NSIPP BV vs. NCEP/CFS BV
NSIPP
NCEP
SST
Z20
x
Tropical Pacific domain
NASA/NSIPP BV vs. NCEP/CFS BVNASA/NSIPP BV vs. NCEP/CFS BV
Z20EOF2
Z20EOF1
SSTEOF1
NCEP
NSIPP
Results obtained with 4-year NCEP run are extremely similar to oursResults obtained with 4-year NCEP run are extremely similar to ours
NASA/NSIPP BV vs. NCEP/CFS BVNASA/NSIPP BV vs. NCEP/CFS BV
Northern Hemisphere
NSIPP geopotential height at 500mb
NCEP geopotential height at 500mb
Summary of “perfect model” resultsSummary of “perfect model” results
Larger BV growth rate leads the warm/cold events by about 3 months.
The amplitude of BV in the eastern tropical Pacific increases before thedevelopment of the warm/cold events.The amplitude of BV in the eastern tropical Pacific increases before thedevelopment of the warm/cold events.
The ENSO related coupled instability exhibits large amplitude in the easterntropical Pacific.The ENSO related coupled instability exhibits large amplitude in the easterntropical Pacific.
In N.H, BV teleconnection pattern reflect their sensitivity associated withbackground ENSO. Rossby wave-train atmospheric anomalies over bothHemispheres.In N.H, BV teleconnection pattern reflect their sensitivity associated withbackground ENSO. Rossby wave-train atmospheric anomalies over bothHemispheres.
Breeding method is able to isolate the slowly growing coupled ENSO instabilityfrom weather noise
Bred vectors can capture the tropical instability waves
Results of a “perfect model” experiment with the NCEP CGCM are verysimilar
Develop breeding strategy for the NASA/NSIPP coupledoperational forecasting systemDevelop breeding strategy for the NASA/NSIPP coupledoperational forecasting system
Perform breeding runs with different rescaling norms
Perform experiments with modified breeding cycle to reducespin-up:Perform experiments with modified breeding cycle to reducespin-up:
Replace the restart file from an AMIP run to NCEP atmosphericre-analysis data
Current workCurrent work
t=1
t=2
t=3
t=4
t=5
A
F1month
B2month
B’
B’
Relationship between bred vectorsand background errors
This case was chosen because the BV growth rate was large. Theexcellent agreement suggests that the operational OI could beimproved by augmenting the background error covariance with theBV as in Corazza et al, 2002
BV Temp (contour) vs. analysis increment (color) at OCT1996
SST: Analysis - Control forecast
Analysis – BV ensemble ave fcst
For this case, we performed the first ensemble forecast:  [(+BV fcst)+(-BV fcst)]/2
OCT1996
OCT1996
Summary of plans for application tothe operational NSIPP systemSummary of plans for application tothe operational NSIPP system
Develop a strategy to include the coupledgrowing modes extracted from coupled bredvectors in the initial condition of the ensemblesystem: For example, use perturbations +BVand –BV with an appropriate amplitude in theensemble forecast system
Develop a methodology for using advantage of theENSO BVs within the operational NSIPP oceanensemble data assimilation: For example, augmentthe OI background error covariance with BVs.
BV Geopotential at 500mb
NCEP
NSIPP
From 10 year perfect model simulation
Joint EOF map of BV SSTJoint EOF map of BV SST
BV1 Z20PC1 vs. BV1 growth rate
BV2 Z20PC1 vs. BV2 growth rate
Growth rate
Z20 PC1
Growth rate
Z20 PC1
CNT
Background Z20 EOF1
Background Z20 PC1
Background Z20 EOF2
Background Z20 PC2
Background ENSO vs. ENSO embryoBackground ENSO vs. ENSO embryo
CNT EOF1
BV1 EOF1
BV2 EOF1
CNT EOF2
BV1 EOF2
BV2 EOF2
BV growth rate
BV SST vs. (SSTfcst-SSTa)
MAR1996
BV regression  maps constructed with Z20 PC1BV regression  maps constructed with Z20 PC1
Color: Tfcst-Ta
Contour: BV (SST norm)
Vertical cross-section along the Equator
Color: Tfcst-Ta
Contour: BV (Z20 norm)
JAN2000
Color: Tfcst-Ta
Contour: BV (SST norm)
Color: Tfcst-Ta
Contour: BV (Z20 norm)
MAR1996
Vertical cross-section along the Equator