Evaluating Planetary Boundary Layer (PBL) Scheme Impacts on Convective Forecasting in the NOAA Warn-on-Forecast System

Abstract

Le alluvioni improvvise associate alla convezione del Monsone Nordamericano (NAM) minacciano il sud-ovest degli Stati Uniti, ma la sensibilità degli schemi di strato limite planetario (PBL) negli ensemble convettivi rimane poco caratterizzata. Questo studio valuta l'impatto del PBL sulla termodinamica, sulle previsioni quantitative di precipitazione (QPF) e sulla guida idrologica nel sistema Warn-on-Forecast (WoFS) della NOAA. Utilizzando 11 eventi NAM (2021–2022), abbiamo analizzato l'output del WoFS attraverso: (1) istogrammi di frequenza di CAPE, acqua precipitabile, velocità di updraft e intensità di pioggia tra i sotto-ensemble YSU, MYJ e MYNN; (2) verifica object-based del QPF rispetto a MRMS (POD, FAR, CSI, Frequency Bias, tempi di anticipo 0–360 min); e (3) uno studio di caso WoFS-FLASH/EF5-CREST sull'alluvione del 15 luglio 2021 a Lund, Utah. L'ordinamento termodinamico è risultato coerente: MYJ ha prodotto gli ambienti più instabili, umidi e attivi, seguito da MYNN e infine YSU (MYJ ha mostrato il 47% in più di occorrenze ad alta instabilità rispetto a YSU, con soglia CAPE di 1000 J kg⁻¹). Tutti gli schemi hanno mostrato un bias positivo del QPF (picco di circa 1,5 a 60 minuti), seguendo lo stesso ordinamento. Tuttavia, POD, FAR e CSI sono risultati statisticamente indistinguibili tra gli schemi PBL, indicando che le condizioni iniziali derivate dall'EnKF—non la termodinamica del PBL, controllano l'abilità di localizzazione delle tempeste. Il POD ha raggiunto 0,72–1,00 per gli oggetti di grandi dimensioni ma solo 0,28–0,47 per le celle convettive piccole. Nello studio di caso, i membri MYJ/MYNN hanno superato la soglia di azione per alluvione improvvisa (~50,1 m³ s⁻¹) 2–3 ore prima del picco di portata osservato; i membri YSU non l'hanno mai raggiunta. La diversità del PBL influenza l'intensità delle precipitazioni e

Flash flooding from North American Monsoon (NAM) convection threatens the southwestern U.S., but PBL scheme sensitivity in convective ensembles remains uncharacterized. This study evaluates PBL impacts on thermodynamics, QPF, and hydrologic guidance in NOAA's Warn-on-Forecast System (WoFS). Using 11 NAM events (2021–2022), we analyzed WoFS output via: (1) frequency histograms of CAPE, precipitable water, updraft velocity, and rain rate across YSU, MYJ, and MYNN sub-ensembles; (2) object-based QPF verification against MRMS (POD, FAR, CSI, Frequency Bias, 0–360 min leads); and (3) a WoFS-FLASH/EF5-CREST case study of the 15 July 2021 Lund, Utah flood. Thermodynamic ordering was consistent: MYJ produced the most unstable, moist, active environments, followed by MYNN, then YSU (MYJ showed 47% more high-instability occurrences than YSU at 1000 J kg⁻¹ CAPE). All schemes showed positive QPF bias (peaking ~1.5 at 60 min), tracking this same ordering. Yet POD, FAR, and CSI were statistically indistinguishable across PBL schemes, showing EnKF initial conditions—not PBL thermodynamics, control storm-location skill. POD reached 0.72–1.00 for large objects but only 0.28–0.47 for small cells. In the case study, MYJ/MYNN members exceeded the flash flood action threshold (~50.1 m³ s⁻¹) 2–3 hours before observed peak discharge; YSU members never did. PBL diversity shapes precipitation intensity and QPF bias but not location skill. Local TKE schemes (MYJ, MYNN) offer actionable early warning that ensemble-mean output suppresses, motivating PBL-aware probabilistic WoFS-FLASH products for NAM forecasting.