WRF-­‐Chem  Simula/ons  of     Lightning-­‐NO  Produc/on  &     x Transport  in  an  Oklahoma     Storm  during  DC3   Kris/n  A.  Cummings   Department  of  Atmospheric  &  Oceanic  Science,  University  of  Maryland  (UMd)/NASA-­‐KSC     Presented  by  Kenneth  E.  Pickering   NASA-­‐GSFC/Department  of  Atmospheric  &  Oceanic  Science,  UMd       M.  Barth,  T.  Campos,  F.  Flocke  &  A.  Weinheimer  (NCAR),  M.  Bela  (Univ.  of  CO),  Y.  Li  &  D.  Allen  (UMd),  E.   Bruning  (Texas  Tech  Univ.),  D.  MacGorman  (NOAA/NSSL),  S.  Rutledge,  B.  Basarab,  B.  Fuchs  &  I.  Pollack   (CSU),  T.  Ryerson  (NOAA  CSD),  G.  Diskin  (NASA-­‐LaRC),  &  L.  Carey  (Univ.  of  AL  Huntsville)   Photo  by  C.  Cantrell Key  Objec/ves   •  Con/nua/on  of  previous  work,  which:     –  Compared  flashes  generated  by  flash  rate  parameteriza/on  schemes   (FRPSs)  in  a  WRF-­‐Chem  model  simula/on  with  lightning  observa/ons:   •  Oklahoma  Lightning  Mapping  Array  (OK  LMA)   •  Na/onal  Lightning  Detec/on  Network  (NLDN)   –  Tenta/vely  concluded  lightning-­‐generated  NO  (LNO )    produc/on  is   x x around  125  moles  flash-­‐1     •  Current  work  objec/ves:   –  Define  and  incorporate  new  lightning  flash  channel  ver/cal   distribu/ons  and  IC:CG  ra/os  into  the  WRF-­‐Chem  model  based  on   lightning  data  from  a  LMA  for  the  storm  of  interest   –  Analyze  distribu/on  of  observed  and  model-­‐simulated  trace  gas   species  in  storm  inflow  and  ouZlow   –  Determine  NO  produc/on  scenario  for  IC  and  CG  lightning   2 Background   NEXRAD  Composite  Reflec/vity  2240Z  on  29  May     •  Severe  convec/on  developed  ~21Z  May   29  along  KS/OK  border  and  con/nued   un/l  04Z  May  30   •  Aircrab  sampled  storm  and  its   environment  from  20Z  May  29  to  01Z   May  30   –  DC-­‐8  focused  on  storm  inflow  &  ouZlow   –  GV  &  Falcon  concentrated  on  ouZlow   •  Ground-­‐based  data  included:   –  Dual-­‐Doppler  radar  (NEXRAD  level  II   regional)   –  Shared  Mobile  Atmospheric  Research   and  Teaching  Radar  (SMART-­‐Radar)   –  NLDN  cloud-­‐to-­‐ground  flash  data   –  OK  LMA  flash  ini/a/on  density  data   Blue  circles:    LMA  sta/ons   Green  outline:    Extent  of  3-­‐D  lightning  mapping  capability   Gray  outline:    Extent  of  2-­‐D  lightning  detec/on   3 WRF-­‐Chem  Model  V3.6.1   •  Grid  resolu/on:  dx  =  dy  =  1-­‐km,  dz  =  50-­‐250  m   •  Ini/alized  with  18Z  NAM  ANL  (6-­‐hr)  for  boundary  condi/ons   •  Lightning  Data  Assimila/on  from  18-­‐21Z  (Fierro  et  al.,  2012)   Type  of  Scheme   Selec-on  for  Simula-on   Microphysics   Morrison   Planetary  boundary  layer   Yonsei  University  (YSU)   Land  surface   Noah   Radia/on  (short  &  longwave  )   Rapid  radia/ve  transfer  model  for  GCMs  (RRTMG)   Photolysis   F-­‐TUV   Trace  gas  chemistry   MOZART   Flash  rate   Ø  Updrab  volume  based  on  AL  supercells  (UP510_S)   Ø  Coarsely  prescribed  IC:CG  ra/os  (Boccippio  et  al.,  2001)   replaced  with  IC:CG  ra/os  based  on  LMA  and  NLDN  obs   LNO   Flash  segment  ver/cal  distribu/on  based  on  observa/ons   x 4 LNO  Parameteriza/on  Scheme   x •  Replaced  the  typical  lightning  flash  channel   distribu/ons  (DeCaria  et  al.,  2000;  2005)  with   observed  IC  &  CG  ver/cal  distribu/ons   –  Used  flash  channel  segment  data  from  observed   storm’s  respec/ve  LMA  network   –  IC  &  CG  distribu/ons  for  29  May  both  appear  to   be  single  Gaussian  where  channels  maximize  at   New  IC  &  CG   ~10km  (-­‐42°C)   distribu[ons  for   –  Previous  distribu/ons  were  set  to  maximize  the   29  May  case   lightning  channels  at  -­‐15°C  (IC  &  CG)  and  -­‐45°C   (IC),  or  6km  and  10.5km,  respec/vely     •  Found  125  moles  flash-­‐1  provided  best  fit  with   observed  anvil  NO  when  using  DeCaria  et  al.   x ver/cal  distribu/ons.  This  scenario:   –  Is  much  smaller  than  mean  value  of  500  moles   flash-­‐1  found  in  previous  mid-­‐la/tude  simula/ons   (OY  et  al.,  2010)   –  Will  be  tested  using  new  distribu/ons   •  Horizontal  placement  of  NO  based  on  reflec/vity   ≥  20  dBZ  in  each  grid  cell   DeCaria  et  al.   (2000,  2005)   5 Methodology   •  Compared  flash  rate  trends  over  the   FRPS   Reference   observed  and  model-­‐simulated  storm’s   Max  ver/cal  velocity  (Wmax)   Price  &  Rind  (1992)   life/me   Cloud  top  height  (CTH)   Price  &  Rind  (1992)   –  Used  15  different  FRPS,  including  those   Updrab  volume  (UpVol)   Deierling  &  Petersen   from  literature,  as  well  as  recently   (2008)   developed  schemes  from  DC3  radar  and   Ice  water  path  (IWP)   Petersen  et  al.  (2005)   LMA  data   Precipita/on  ice  mass  (PIM)   Deierling  et  al.  (2008)   –  Selected  the  FRPS  that  reasonably   Ice  mass  flux  product  (IMFP)   Deierling  et  al.  (2008)   represented  the  total  observed  flashes   over  the  storm  and  the  flash  rate  trends   Graupel  volume  (CSU_GEV)   Basarab  et  al.  (2015)   from  the  LMA   35-­‐dBZ  volume  (CSU_VOL35)   Basarab  et  al.  (2015)   •  Assumed  LNO  produc/on  is  125  moles   Precipita/on  ice  mass  (CSU_PIM)   Basarab  et  al.  (2015)   x flash-­‐1  and  will  adjust  as  necessary   Graupel  echo  volume   Carey  et  al.  (2015)   (-­‐40°<T<-­‐5°C;  ALGEV5)   •  Analyzed  trace  gas  species  (i.e.,  CO,  NO ,   ALGEV5  for  supercells  (ALGEV5_S)   L.  Carey   x O )  using  model-­‐simulated  values  and   Graupel  echo  volume   Carey  et  al.  (2015)   3 aircrab  (DC-­‐8  &  GV)  observa/ons  to:   (-­‐40°<T<-­‐10°C;  ALGEV10)   –  Create  probability  distribu/on  func/on   ALGEV10  for  supercells   L.  Carey   (ALGEV10_S)   (PDF)  plots  in  storm  ouZlow   Updrab  volume(w>5m  s-­‐1,   Carey  et  al.  (2015)   –  Evaluate  convec/ve  transport   -­‐40°C<T<-­‐10°C;  ALUP510)   –  Determine  best  fit  NO  produc/on   ALUP510  for  supercells   L.  Carey   scenario   (ALUP510_S)   6 IC:CG  Ra/os   •  Coarsely  prescribed  IC:CG  ra/os   from  Boccippio  et  al.  (2001)   provide  a  mean  IC:CG  of  3.90  ±   0.49  over  the  region  where  the   severe  convec/on  occurred   •  LMA  total  and  NLDN  CG  flashes   indicate  the  IC:CG  ra/o  fluctuates   over  the  life/me  of  the   convec/on  on  29  May   –  Mean  IC:CG  ra/o  over  storm   life/me  is  2.73  ±  2.51   •  Time  evolving  IC:CG  ra/os  are   applied  in  the  model  to  the  storm   of  interest,  while  climatological   IC:CG  values  are  used  in  the  area   surrounding  the  storm   7 Model  Flash  Rates  vs.  Observa/ons   •  Observed  storm  occurs  21:10-­‐04:10  UTC   •  Model-­‐simulated  storm  onset  is  delayed   40  min  (21:50  UTC)   •  Ploued  observed  &  model-­‐simulated   flash  rates  to  both  begin  at  21:10  UTC   8 Model  Flash  Rates  vs.  Observa/ons   •  Selected  the  updrab  volume  FRPS   for  Alabama  supercells  (ALUP510_S)   for  use  in  model   –  Based  on  updrab  (w  >  5  m  s-­‐1)  volume   and  mixed-­‐phase  region  (-­‐40°C  <  T  <   -­‐10°C)   •  All  FRPSs  incorpora/ng   hydrometeors  overes/mate  (by   7-­‐74x)  the  total  flash  observa/ons   •  All  FRPSs  developed  for  the  Colorado   region  overes/mate  (by  7-­‐11x)  the   total  flash  observa/ons   –  35-­‐dBZ  volume  was  generally   developed  from  storms  with  shallow   warm  cloud  depths  (<  1km),  while  the   29  May  case  has  a  deep  warm  cloud     depth  (2.5km)   9 CO  &  O  PDFs  in  Storm  OuZlow   3 Model-­‐simulated   CO  peaks  at  larger   values  than   observa/ons   Model-­‐simulated   O  peaks  at   3 smaller  values   than  observa/ons   *  Comparison  of  peak  ver/cal  veloci/es  (not  shown)  suggests  model-­‐simulated  values  may  be   20%  greater  than  the  SMART-­‐Radar  observa/ons   10