NCEP Global Ensemble Forecast System (GEFS)

Yuejian ZhuEnsemble Team Leader

Environmental Modeling CenterNCEP/NWS/NOAAFebruary 20 2014

Current Status (since Feb 2012)• Model

– GFS V9.01 (Spectrum, Euler model) – implemented by May 2011• Horizontal resolution

– T254 (52‐55km for 0‐192 hours), T190 (70‐74km for 192‐384 hours) • Vertical resolution

– 42 hybrid levels– Model top: 2hPa

• Initialization– Breeding‐Vector (BV) and Ensemble Transform with Rescaling (ETR) cycling every 6 

hours (80 vectors in cycling)– Tropical Storm Relocation (TSR) since 2005

• Stochastic perturbation– Stochastic Total Tendency Perturbation (STTP) since 2010

• Ensemble size and forecast length– 20 perturbations plus control– 4 cycles per day– Out to 16 days

• Output– Every 6‐hr for 1*1 degree pressure GRIB format files– Full variables for TIGGE data exchange

Next Implementation (Q1FY15)• Model

– GFS V10.0 (Spectrum, Semi‐Lagrangian model) – Plan for Q4FY14• Horizontal resolution

– T574 (T382 physics: 33‐35km for 0‐168 hours), – T382 (T254 physics: 52‐55km for 168‐384 hours) 

• Vertical resolution– 64 hybrid levels to match GSI/EnKF hybrid analysis system– Model top: 0.2hPa

• Initialization– Hybrid EnKF f06 and Ensemble Transform with Rescaling (ETR – 3 dimension)– Improved Tropical Storm Relocation (TSR) scheme

• Stochastic perturbation– Stochastic Total Tendency Perturbation (STTP)

• Ensemble size and forecast length– 20 perturbations plus control– 4 cycles per day– Out to 16 days

• Output and data exchange– Every 3‐hr for 0.5*0.5 degree pressure GRIB format files– Full variables for TIGGE data exchange (1*1 degree, every 6‐hr)

Future Plan (end of FY18)• Model

– GFS V11.0 (Spectrum, Semi‐Lagrangian model) – Plan for FY16(?)• Horizontal resolution

– 0‐168hrs – 15‐17km– 168‐336hrs – 33‐35km– 336‐720hrs – 52‐55km 

• Vertical resolution– 64 hybrid levels – Model top: 0.2hPa

• Initialization– Hybrid EnKF and ETR – Advanced Tropical Storm Relocation (ATSR)

• Stochastic perturbation– Stochastic Total Tendency Perturbation (STTP)– Various stochastic physical perturbations 

• Surface perturbation and coupling– One/two way(s) coupling with ocean model– Perturbed land‐surface model 

• Ensemble size and forecast length– 20 (?) perturbations plus control– 4 cycles per day– Out to 30 days

• Real time reforecast– Past 20 years– Once per week (at least)

Additional Information

North American Ensemble Forecast System (NAEFS)

International project to produce operational multi‐center ensemble products

Bias correction and combines global ensemble forecasts from Canada & 

USA

Generates products for:Weather forecastersSpecialized users

End users

Operational outlet for THORPEX research using TIGGE archive

StatementThe North American Ensemble Forecast System (NAEFS) combines state of 

the art weather forecast tools, called ensemble forecasts, developed at the US National Weather Service (NWS) and the Meteorological Service of Canada (MSC). When combined, these tools (a) provide weather forecast guidance for the 1‐14 day period that is of higher quality than the currently available operational guidance based on either of the two sets of tools separately; and (b) make a set of forecasts that are seamless across the national boundaries over North America, between Mexico and the US, and between the US and Canada. As a first step in the development of the NAEFS system, the two ensemble generating centers, the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) of NWS and the Canadian Meteorological Center (CMC) of MSC started exchanging their ensemble forecast data on the operational basis in September 2004. First NAEFS probabilistic products have been implemented at NCEP in February 2006. The enhanced weather forecast products are generated based on the joint ensemble which has been undergone a statistical post‐processing to reduce their systematic errors. 

NAEFS Milestones• Implementations

– First NAEFS implementation – bias correction – IOC, May 30 2006  Version 1– NAEFS follow up implementation – CONUS downscaling ‐ December 4 2007 Version 2– Alaska implementation – Alaska downscaling ‐ December 7 2010 Version 3– Implementation for CONUS/Alaska expansion – Q2FY14  Version 4

• Applications of NAEFS Statistical Post‐Processing:– NCEP/GEFS and NAEFS – at NWS– CMC/GEFS and NAEFS – at MSC– FNMOC/GEFS – at NAVY– NCEP/SREF – at NWS

• Publications (or references):– Cui, B., Z. Toth, Y. Zhu, and D. Hou, D. Unger, and S. Beauregard, 2004: “ The Trade‐off in Bias 

Correction between Using the Latest Analysis/Modeling System with a Short, versus an Older System with a Long Archive” The First THORPEX International Science Symposium. December 6‐10, 2004, Montréal, Canada, World Meteorological Organization, P281‐284.

– Zhu, Y., and B. Cui, 2006: “GFS bias correction” [Document is available online]– Zhu, Y., B. Cui, and Z. Toth, 2007: “December 2007 upgrade of the NCEP Global Ensemble Forecast 

System (NAEFS)” [Document is available online]– Cui, B., Z. Toth, Y. Zhu and D. Hou, 2012: "Bias Correction For Global Ensemble Forecast" Weather and 

Forecasting, Vol. 27 396‐410 – Cui, B., Y. Zhu , Z. Toth and D. Hou, 2013: "Development of Statistical Post‐processor for NAEFS”

Weather and Forecasting (In process)– Zhu, Y., and B. Cui, 2007: “December 2007 upgrade of the NCEP Global Ensemble Forecast System 

(NAEFS)” [Document is available online]– Zhu, Y, and Y. Luo, 2013: “Precipitation Calibration Based on Frequency Matching Method (FMM)”. 

Weather and Forecasting (in process)– Glahn, B., 2013: “A Comparison of Two Methods of Bias Correcting MOS Temperature and Dewpoint 

Forecasts” MDL office note, 13‐1

9

NCEP CMC NAEFSModel GFS GEM NCEP+CMC

Initial uncertainty ETR EnKF ETR + EnKFModel

uncertainty/StochasticYes (Stochastic Pert) Yes (multi-physics

and stochastic)Yes

Tropical storm Relocation NoneDaily frequency 00,06,12 and 18UTC 00 and 12UTC 00 and 12UTC

Resolution T254L42 (d0-d8)~55kmT190L42 (d8-16)~70km

600*300 (66km)L72

1*1 degree

Control Yes Yes Yes (2)Ensemble members 20 for each cycle 20 for each cycle 40 for each cycle

Forecast length 16 days (384 hours) 16 days (384 hours) 16 daysPost-process Bias correction

(same bias for all members)

Bias correction for each member

Yes

Last implementation February 14th 2012 February 13 2013

NAEFS Current StatusUpdated: February 13 2013

11

NUOPC – National Unified Operational Prediction Capability

NUOPC (National Unified Operational Prediction Capability) is an agreement to coordinate activities between the Department of Commerce (National Oceanic and Atmospheric Administration) and the Department of Defense (Oceanographer and Navigator of the Navy and Air Force Directorate of Weather), in order to accelerate the transition of new technology, eliminate unnecessary duplication, and achieve a superior National global prediction capability.

The NUOPC partners determined that the Nation’s global atmospheric modeling capability can be advanced more effectively and efficiently with their mutual cooperation to provide a common infrastructure to perform and support their individual missions.

The NUOPC Tri‐Agency (NOAA, Navy, Air Force) agreed to work on a collaborative vision through coordinated research, transition and operations in order to develop and implement the next‐generation National Operational Global Ensemble modeling system.

NCEP CMC FNMOCModel GFS GEM Global Spectrum

Initial uncertainty ETR EnKF (9) Banded ETModel uncertainty

StochasticYes (STTP) Yes (multi-physics and

Stochastic)None

Tropical storm Relocation None NoneDaily frequency 00,06,12 and 18UTC 00 and 12UTC 00 and 12UTC

Resolution T254L42 (d0-d8)~55kmT190L42 (d8-16)~70km

600*300 (66km)L72

T159L42 ~ 80km

Control Yes Yes NoEnsemble members

20 for each cycle 20 for each cycle 20 for each cycle

Forecast length 16 days (384 hours) 16 days (384 hours) 16 days (384 hours)Post-process Bias correction for

ensemble meanBias correction for

each memberBias correction for

member meanLast

implementation February 14 2012 February 13 2013 NAVGEM

implementation on February 13 2013

NUOPC Current StatusUpdated: February 13 2013

10‐day forecast

Northern Hemisphere 500hPa height:

30‐day running mean scores of day‐10 CRPS skill scoreRMS error and ratio of RMS error / spreadAnomaly correlation

All other regions could be seen from: http://www.emc.ncep.noaa.gov/gmb/yluo/naefs/VRFY_STATS/T30_P500HGT

AC score CRPS

RMS error