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Machine learning for improvement of upper-tropospheric relative humidity in ERA5 weather model data

Wang, Ziming und Bugliaro Goggia, Luca und Gierens, Klaus Martin und Hegglin, Michaela I. und Rohs, Susanne und Petzold, Andreas und Kaufmann, Stefan und Voigt, Christiane (2025) Machine learning for improvement of upper-tropospheric relative humidity in ERA5 weather model data. Atmospheric Chemistry and Physics (ACP), 25 (5), Seiten 2845-2861. Copernicus Publications. doi: 10.5194/acp-25-2845-2025. ISSN 1680-7316.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
4MB

Offizielle URL: https://dx.doi.org/10.5194/acp-25-2845-2025

Kurzfassung

Knowledge of humidity in the upper troposphere and lower stratosphere (UTLS) is of special interest due to its importance for cirrus cloud formation and its climate impact. However, the UTLS water vapor distribution in current weather models is subject to large uncertainties. Here, we develop a dynamic-based humidity correction method using an artificial neural network (ANN) to improve the relative humidity over ice (RHi) in ECMWF numerical weather predictions. The model is trained with time-dependent thermodynamic and dynamical variables from ECMWF ERA5 and humidity measurements from the In-service Aircraft for a Global Observing System (IAGOS). Previous and current atmospheric variables within ±2 ERA5 pressure layers around the IAGOS flight altitude are used for ANN training. RHi, temperature, and geopotential exhibit the highest impact on ANN results, while other dynamical variables are of low to moderate or high importance. The ANN shows excellent performance, and the predicted RHi in the UT has a mean absolute error (MAE) of 5.7 % and a coefficient of determination (R2) of 0.95, which is significantly improved compared to ERA5 RHi (MAE of 15.8 %; R2 of 0.66). The ANN model also improves the prediction skill for all-sky UT/LS and cloudy UTLS and removes the peak at RHi = 100 %. The contrail predictions are in better agreement with Meteosat Second Generation (MSG) observations of ice optical thickness than the results without humidity correction for a contrail cirrus scene over the Atlantic. The ANN method can be applied to other weather models to improve humidity predictions and to support aviation and climate research applications.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/213125/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Machine learning for improvement of upper-tropospheric relative humidity in ERA5 weather model data
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Wang, ZimingDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-0219-1838179781791
Bugliaro Goggia, LucaDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0003-4793-0101NICHT SPEZIFIZIERT
Gierens, Klaus MartinDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0001-6983-5370NICHT SPEZIFIZIERT
Hegglin, Michaela I.ICE-4, Forschungszentrum JülichNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Rohs, SusanneICE-3, Forschungszentrum Jülichhttps://orcid.org/0000-0001-5473-2934NICHT SPEZIFIZIERT
Petzold, AndreasICE-3, Forschungszentrum Jülichhttps://orcid.org/0000-0002-2504-1680NICHT SPEZIFIZIERT
Kaufmann, StefanDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-0767-1996NICHT SPEZIFIZIERT
Voigt, ChristianeDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0001-8925-7731NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:7 März 2025
Erschienen in:Atmospheric Chemistry and Physics (ACP)
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:25
DOI:10.5194/acp-25-2845-2025
Seitenbereich:Seiten 2845-2861
Verlag:Copernicus Publications
ISSN:1680-7316
Status:veröffentlicht
Stichwörter:relative humidity over ice, UTLS, ERA5, machine learning
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Luftfahrt
HGF - Programmthema:Luftverkehr und Auswirkungen
DLR - Schwerpunkt:Luftfahrt
DLR - Forschungsgebiet:L AI - Luftverkehr und Auswirkungen
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):L - Klima, Wetter und Umwelt
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Physik der Atmosphäre > Wolkenphysik
Hinterlegt von: Wang, Ziming
Hinterlegt am:11 Mär 2025 08:10
Letzte Änderung:18 Mär 2025 13:35

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