Slide 1 - NPS Meteorology Department - Naval Postgraduate School by yurtgc548


									               NPS Climatology:
     Education, Research, and Development
    Tom Murphree, Ph.D., Naval Postgraduate School
Air Force Combat Climatology Conference, October 2005

                                NPS Climo,, Oct 05
NPS Snapshot
Departments of Meteorology and Oceanography

§    ~ 24 teaching and research faculty
§    ~ 85 students:
         Air Force Weather:  BS, MS, PhD
         Navy METOC:  MS, PhD

§    ~ 12 faculty involved in climate related research and
§    ~ 12 students conducting climate related research and

§    2 climatology courses
§    Numerous courses that directly support climate
      education and research (e.g., dynamics, statistics for
      meteorology and oceanography, remote sensing,

                                             NPS Climo,, Oct 05
NPS Climate Research and Development Topics
Selected Faculty and Student Projects
§    Asian-Australian Monsoon Climate Processes
§    Mechanisms of Climate Variations:
      •    El Nino-La Nina-Southern Oscillation
      •    Madden-Julian Oscillation
      •    North Atlantic Oscillation
§    Impacts of Climate Variations on Tropical Cyclone Activity
§    Teleconnections
§    Intraseasonal Climate Variations and Extended Range
      •    TC Track Forecasts
      •    Winter Forecasts in CONUS
§    Global Ocean Climate Modeling
§    Climate and Climate Variations in the Coastal Ocean
§    Aerosols and Climate Change
§    Polar Climate
§    Climatological Methods for Forecasting TC Winds
§    Improved Climatologies:
      •    Iraq-Iran-Afghanistan
      •    Horn of Africa
                                           NPS Climo,, Oct 05
NPS Climate Research and Development Topics
Selected Faculty and Student Projects
§    Asian-Australian Monsoon Climate Processes
§    Mechanisms of Climate Variations:
      •    El Nino-La Nina-Southern Oscillation
      •    Madden-Julian Oscillation
      •    North Atlantic Oscillation
§    Impacts of Climate Variations on Tropical Cyclone Activity
§    Teleconnections
§    Intraseasonal Climate Variations and Extended Range
                        Civilian and DoD Agency Grants:  
     Forecasting:        NSF, NOAA, NASA, DOE, ONR
      •    TC Track Forecasts
      •    Winter Forecasts in CONUS
                         Student Labor:  AFW, METOC
§    Global Ocean Climate Modeling
§    Climate and Climate Variations in the Coastal Ocean
§    Aerosols and Climate Change
§    Polar Climate
§    Climatological Methods for Forecasting TC Winds
§    Improved Climatologies:
      •    Iraq-Iran-Afghanistan
      •    Horn of Africa
                                           NPS Climo,, Oct 05
NPS Climatology Courses
Course 1:  Modern Climatology

§    Atmospheric seasonal cycles
§    Ocean climate and ocean’s role in climate system
§    Energy, mass, and momentum balances
§    Low frequency waves in the atmosphere and ocean
§    Teleconnections
§    Climate variations
§    Basic climate analysis: data sets, methods, products
§    Climatology in the military planning process

§    Use of NOAA, AF, and Navy climo data and products
§    Team projects
§    Military scenarios
§    Guest presentations on military climatology
§    Secret clearance required for some parts of course
§    Most materials available online
                                           NPS Climo,, Oct 05
NPS Climatology Courses
Course 2:  Advanced Climatology

§    Advanced analyses of regional and local climate patterns and
§    Statistical, dynamical, and numerical modeling methods in
      climate analysis and forecasting
§    Role of climatology in strategic to tactical level planning of
      military operations
§    Assessments of NOAA, Air Force, and Navy climatology
      methods and products
§    Strategic implications of long term global climate change

§    Use of NOAA, Air Force, and Navy climo data and products
§    Team projects
§    Military scenarios
§    Guest presentations on military climatology
§    Secret clearance required for some parts of course
§ Most materials available online
                                            NPS Climo,, Oct 05
NPS Climatology Courses:  Key Concepts
1.   Climatology
§    Scientific study of expected state of environment
§    Uses scientific observations, analyses, theories, and models
§    Accounts for:
     • long term means (LTMs)
     • variations from these means that occur over long periods 
         (e.g., anomalous trends and oscillations that occur over one 
         weeks or longer)
§    Considers both patterns and processes Þ climate dynamics
§    Addresses state-of-the-art:
     • Data
     • Analysis methods
     • Modeling
     • Forecasting
     • Operational applications and products
     • Uses of climo products by operational customers

                                           NPS Climo,, Oct 05
NPS Climatology Courses:  Key Concepts
2. Smart Climatology
Climatology that includes LTMs but also accounts for:
      ·   Higher order statistics than the LTM
      ·   Modern developments in climate science and operational
           climatology (e.g., accounts for on-going variations, forecasts)
      ·   Climate processes (dynamics)
3.    Smart Climatology and Military Operations
Climate variations significantly impact operations (e.g., planning, 
      force positioning, weapons selection).  Adapt and apply smart 
      climo methods and products from both DoD and civilian sources 
      for use by combatant commanders.

4.    Smart Climatology and AFW and METOC Officers
To add value to climo products, need to know:
       ·   Climate system patterns and processes
       ·   Cutting edge climo methods and products
       ·   Operational customer’s methods, constraints, goals

                                             NPS Climo,, Oct 05
NPS Climatology Courses:  Key Concepts
5. Climatology is Used More Than You May Realize
       a.   Strategic and operational planning at lead times of a week or
       b.   Shorter range tactical planning:
              · Short range models:  ICs, BCs, surface fluxes, and
                  parameterizations based on climo
              · Short range model selection:  selection based on
                  comparisons of model and observed climos
              · Forecaster guides:  concepts, reasoning, and rules of
                  thumb for forecasting short range conditions based on 
                  informal climo
              ·  Short range forecasts:  Climo used to reduce uncertainty
                  and manage customer risks 
              · TDAs: initial states based on climo

                                             NPS Climo,, Oct 05
Sample Results From NPS Climatology Projects
Unclassified sample products:
a. Scientific products for use in developing operational climo 
b. Operational planning products based on the scientific products

Developed by:
a. NPS students as part of climatology courses 
b. NPS students and faculty as part of thesis research

                                          NPS Climo,, Oct 05
Use of Atmospheric Reanalysis Products in
Mission Planning Process
Scenario: In the event of 
   heightened tensions with North 
   Korea, a squadron of F-15s 
   from Elmendorf AFB, AK will 
   need to deploy on short notice 
   to Gwangju AB, ROK.  Their 
   refueling aircraft will be a pair 
   of KC-10s from Travis AFB, CA.  
   The expected launch window is 
   July.  The fighters will have to 
   refuel 7 times en route and 
   must avoid areas of solid cloud 
   and moderate or greater 
Task: Provide climatological 
   support for mission planning.

                                            NPS Climo,, Oct 05
Use of Atmospheric Reanalysis Products in             NPS Climo,, Oct 05

Mission Planning Process
Climatological Impacts on F-15 Squadron Deployment Over North Pacific in July
• Launch / Divert Bases
    – Thunderstorms, lightning, low ceilings likely at Elmendorf AFB
    – Fog/stratus along coast likely to inhibit morning tanker take-offs 
      from Travis AFB, CA, diverts on US west coast
• Air Refueling
    – Clouds likely to impede refueling along storm track
    – Winds much weaker at flight level, thus decreasing turbulence risk

                                               Mean Percent Total Cloud Cover From 
                                               RTNEPH, July LTM, Base Period 1984-
                                               2001.  Image sources:  AF Combat 
                                               Climatology Center: 
Use of Atmospheric Reanalysis Products in                                           NPS Climo,, Oct 05

Mission Planning Process
Climatological Impacts on ISR Operations Over Korean Peninsula in July
Operation           METOC Criteria                          Climatological Features and Processes to Monitor
                    Cloud cover & visibility restrictions   - July cloudiest, wettest month with significant fog
ISR                 - Influences sensor load-outs           - LTM cloud-cover products
- High Recce        - Launch/recovery hampered              - Moist flow over peninsula demonstrated in moisture
  -- U2                                                       products
  -- Global Hawk                                            - High specific humidity, RH, pwat, surface precip rate, etc.
  -- Satellite                                              - Persistent cloudiness inferred by low OLR values
                    Winds                                   - Jet weakened, but convective activity now problematic
                    - Decreased loiter…fuel                 - Vector wind means & isotachs illustrate jets & low-level
- TacRecce
                      consumption                              winds
  -- Predator
                    - Turbulence
                    - Launch/recovery (cross, out of
                    Thunderstorm Hazards                    - Increased moisture and temperatures  favorable for
                    -Problems in flight &                     convective activity
                     launch/recovery                        - Low OLR indicative of increased precip
                    Tropical cyclones                       - LTM contributions possibly reflected in moisture products
                    - Still observe effects even if TC      - High specific humidity, RH, pwat, surface precip rate, etc.
                      does not make landfall on ROK
                    High temperatures                       - High temperatures evident in low level temp fields
                    - Mechanical issues
                    - Limits to pilot endurance

Key climatological factors for Korea in July (see accompanying maps of SLP, Z850, chi, OLR,
clouds, and precipitation):
                                                                             Reference for METOC Criteria : JP 3-59.
-   Low level low over China, high over North Pacific                        Joint Doctrine, Tactics, Techniques, and
-   Warm moist inflow from the south along boundary between low and high Procedure for Meteorological and
                                                                                              Oceanographic Support. 23 Mar. 1999.
Impacts of Climate Variations on Tropical Cyclone Activity:
East Asia and Western North Pacific, October          NPS Climo,, Oct 05

                 L                           L


                           L                H


Upper tropospheric height anomalies associated with El 
Nino (EN) and La Nina (LN) periods.  These height 
anomalies indicate anomalies in steering flow for tropical 
cyclones (TCs)., with more recurving TCs during EN and        by EN and LN climate variations that are not accounted for 
more straight runners during LN.  This indicates that, for    in LTM climatologies.  Figures from  Ford, B., 2000. El Nino
example, Taiwan (Korea) is more likely to be hit by TCs       and La Nina Events, and Tropical Cyclones: Impacts and
during LN (EN) years.  NPS researchers have shown that        Mechanisms. Masters of Science Thesis, Naval 
TC formation sites, tracks, and intensities are affected      Postgraduate School.  Advisor: T. Murphree.
Use of Climate Variations in Planning Joint Operations:
Straits of Taiwan, October
     Operation/Mission              El Nino Periods                  La Nina Periods
Air Operations                Improved ceilings                *Increased Cloudiness
                              Decreased Turbulence             Increased Turbulence
                              Decreased Convection             Increased Convection
Trafficablility               Improved surface                 *Degraded surface 
                              troop/supply movement            troop/supply movement 
                              due to less precipitation        due to more precipitation
Intelligence, Surveillance,   Increased ISR capability         *Diminished capabilities 
Reconnaissance                due to decreased                 due to increased cloud 
                              cloudiness and convection        cover and convection

NBC Defense                   Less favorable due to            More favorable due to 
                              increased stability and          decreased stability and 
                              decreased precipitation          increased precipitation
Naval Ops                     More favorable sea               Less favorable sea 
                              basing/safe haven due to         basing/safe haven due to 
                              typhoon recurvature              westerly typhoon tracks

Green  = favorable for indicated operations / mission
Yellow = marginal for indicated operation / mission
*Conditions slightly improved for NE Taiwan due to decreased monsoonal flow.
                                                          NPS Climo,, Oct 05
Use of Ocean Reanalysis to Develop Smart Climo Products:
Western North Pacific, Winter
            Upper Ocean Currents, Nov-Mar, Long Term Mean

                                                                       15 cm/s

        Note LTM poleward coastal currents along China, Taiwan, 
                            Japan, Korea. 

   From Ford and Murphree (2005)
                                              NPS Climo,, Oct 05
Use of Ocean Reanalysis to Develop Smart Climo Products:
Western North Pacific, Winter
    Upper Ocean Current Anomalies, Nov-Mar, During El Nino Periods

                                                                         6 cm/s

           Note substantial strengthening with respect to LTM of 
            coastal currents along China, Taiwan, Japan, Korea. 

   From Ford and Murphree (2005)
                                                NPS Climo,, Oct 05
Use of Ocean Reanalysis to Develop Smart Climo Products:
Arabian Gulf, Winter
          Upper Ocean Currents, Nov-Mar, Long Term Mean

                   Note LTM inflow in Gulf Of Oman. 

                                                          1 cm/s
           From Ford and Murphree (2005)       NPS Climo,, Oct 05
Use of Ocean Reanalysis to Develop Smart Climo Products:
Arabian Gulf, Winter
   Upper Ocean Current Anomalies, Nov-Mar, During La Nina Periods

            Note reversal of LTM inflow in Gulf Of Oman. 

                                                           3 cm/s
           From Ford and Murphree (2005)       NPS Climo,, Oct 05
Use of Intraseasonal Climate Anomaly Patterns                               Manas IAP
and Forecasts in Mission Planning Process
           Incirlik AB
                                                                    Bagram AB

                                                                                                                               Map courtesy of the AFCCC Strategic Climatic Information 
                                                                                         NPS Climo,, Oct 05
                                                      AR ‘B’

Scenario:  Operation Thanksgiving Pain
Mission:  Provide climo support for night 
time aerial operations to destroy large 
terrorist training camp in Afghanistan.  
Missions will launch from bases in Turkey, 
Diego Garcia, and Afghanistan. 
Launch Window:  19-28 Nov 2004
                                                                          Diego Garcia
Lead time: One month
                            Operation Thanksgiving Pain Climo Impacts
  Operation                           Typical (LTM)                     Anomaly Tendency
                                                                        Red = Worse than normal, White = no 
                                                                        change, & Green = Better than Normal

ISR                         CIG        Vis    X-winds   Icing    Turb   CIG     Vis   X-winds   Icing   Turb
(Intelligence,             >2000’      >3s     <10kt    MDT      MDT
Surveillance,                           m
Predator – Bagram

CAP                         CIG        Vis    X-winds   Icing    Turb   CIG     Vis   X-winds   Icing   Turb
(Combat Air Patrol)        >3000’      >3s    <25 kts   MDT      MDT
F15 – Manas                             m

Interdiction                CIG        Vis    X-winds    Icing   Turb   CIG     Vis   X-winds   Icing   Turb
B-52 – Diego Garcia        >3000’      >3s     <15kts   <=MDT    LGT

CAS                       CIG>3000’    Vis    X-winds   Icing    Turb   CIG     Vis   X-winds   Icing   Turb
(Close Air Support)                    >3s     <30kts   MDT      MDT
A-10 & AC-130 – Bagram                  m

AR      (Air Refueling)   CIG>1000’    Vis    X-winds   Icing    Turb   CIG     Vis   X-winds   Icing   Turb
KC-135 – Incirlik                      >2s     <15kts    LGT     LGT
NPS Climo,, Oct 05              Thresholds based on AFWA/TN-98/002 Revised 13 June 2003
                       Operation Thanksgiving Pain Climo Impacts
  Operation                     Typical (LTM)                      Anomaly Tendency
                                                                   Red = Worse than normal, White = no 
                                                                   change, & Green = Better than Normal

EO                      CIG        Abs              Moon           CIG   Abs              Moon 
(Electro-optics)      CLR-SCT      Hum               N/A                 Hum               N/A
Over Target area

Helicopter            CIG >3000’    Vis      X-     Icing   Turb   CIG    Vis       X-    Icing    Turb
(Attack)                           >3sm    winds
                                          <25 kts

AH-64 - Kandahar

Helicopter            CIG >3000’    Vis      X-     Icing   Turb   CIG    Vis       X-    Icing    Turb
                                   >3sm    winds    LGT-    LGT-                  winds
(Airlift)                                 <25 kts   MDT     MDT
UH-60 - Kandahar

NPS Climo,, Oct 05       Thresholds based on AFWA/TN-98/002 Revised 13 June 2003
Use of Intraseasonal Climate Anomaly Patterns                                            Manas IAP

and Forecasts in Mission Planning Process                                                c v x

               c v x                                                            c v x
               Incirlik AB                                                      Bagram AB

                                                                           c v x

-   More southerly storm track will result in 
possible takeoff delays for tankers leaving 
-   Tankers leaving Incirlik will see increased 
turbulence over Iraq and the northern Persian                   AR ‘B’

                                                                                                     NPS Climo,, Oct 05
-   Manas can expect increased precipitation
-   Bagram will see increased frequency of low 
ceilings and low visibility as well as crosswinds 
that may hinder Predator ops
-  Visibility for helos out of Kandahar will 
potentially be adversely affected by low clouds 
enroute; result: potential mission cancellation

 c Ceiling                       No expected enroute weather impacts
                                 Expected enroute weather impacts to 
 v Visibility                    airframe may require mission 
                                                                                       c v x
 x Crosswinds                                                                         Diego Garcia
                                 Enroute weather impacts exceed allowed 
NPS Role in DoD Climate Education,
Research, and Development
Powerful Team:
   Faculty expertise in climate science
   Student expertise in operational weather and METOC support

Applications of Faculty-Student Teams:
   § in-depth climo education at NPS
   § online climo courses
   § off-site climo courses and tutorials
   § development of research topics
   § basic climo research
   § applied climo research
   § adaptation of civilian climo methods and products
   § operational climo product development and testing
   § transitioning of climo products to operational use

                                         NPS Climo,, Oct 05

This presentation reflects numerous discussions with, and/or 
contributions from others, in particular:
•  Air Force and Navy officers in the NPS climatology courses 
•  Bruce Ford (LCDR, USN, retired)
•  Richard Siquig, NRL-Monterey
•  Joel Feldmeier, LCDR, USN
•  Jake Hinz, LCDR, USN
•  Jeff Jarry, Capt, USAF
•  Dave Titley, CAPT, USN
•  David Smarsh, Col, USAF
•  Brian Rivenbark, LCDR, USN

Results from several other people are also included and cited in this 

                                           NPS Climo,, Oct 05
Selected References
Best, J., and V. Gurley, 2005.  Brief for ASW Coordination / CONOPS 
Conference, 14 March 2005.

Feldmeier, J., 2005.  Climatic Variations of the California Current System:
Application of Smart Climatology to the Coastal Ocean.  Masters of Science 
Thesis, Naval Postgraduate School, September 2005.  Advisors: Profs. T. 
Murphree and R. Tokmakian.

Ford, B., and T. Murphree, 2005.  Climatology in Support of Naval War Fighters. 
Naval Postgraduate School Technical Report, in press.

Ford, B., 2000.  El Nino and La Nina Events, and Tropical Cyclones: Impacts
and Mechanisms. Masters of Science Thesis, Naval Postgraduate School, June 
2000.  Advisor: Prof. Tom Murphree.

Fox, D.N., C.N. Barron, M.R. Carnes, M. Booda, G. Peggion, and J.V. Gurley, 
2002b: The Modular Ocean Data Assimilation System (MODAS), Oceanography, 
15(1), 22-28.

Hildebrand, P., 2001.  El Nino and La Nina Events and North Atlantic tropical
Cyclones. Masters of Science Thesis, Naval Postgraduate School, March 2001.  
Advisor: Prof. Tom Murphree.
                                                 NPS Climo,, Oct 05
Selected References - continued
Murphree, T., S. Bograd, F. Schwing, and B. Ford. 2003.  Large scale 
atmosphere-ocean anomalies in the northeast Pacific during 2002 and their 
impacts on the California Current System.  Geophysical Research Letters, 30, 

Murphree, T., P. Green-Jessen, F. Schwing, and S. Bograd. 2003.  The seasonal 
cycle of wind stress curl and its relationship to subsurface ocean temperature 
in the northeast Pacific.  Geophysical Research Letters, 30, 1469-1472. 

Schwing, F.B., T. Murphree, L. deWitt, and P.M. Green. 2002.  The evolution of 
oceanic and atmospheric anomalies in the northeast Pacific during the El Niño 
and La Niña events of 1995-2001.  Progress in Oceanography, 54, 459-491. 

Schwing, F.B., T. Murphree, and P.M. Green. 2002.  The Northern Oscillation 
Index (NOI): a new climate index for the northeast Pacific.  Progress in
Oceanography, 53, 115-139. 

                                                 NPS Climo,, Oct 05
Contact Information
 Prof. Tom Murphree
 Department of Meteorology 
 Naval Postgraduate School 
 254 Root Hall 
 589 Dyer Road 
 Monterey, CA 93943-5114
 831-656-2723  voice 
 831-656-3061  fax 

                              NPS Climo,, Oct 05
Background Slides

              NPS Climo,, Oct 05
NPS Course
Modern Climatology, MR 3610
Quarter Units:  4
Instructor:  Prof. Tom Murphree

Course Description
Examinations of Earth’s climate system.  Long term mean temporal and 
spatial patterns, and seasonal cycles at global, regional, and local scales, with 
an emphasis on areas of DoD interest.  Dynamic and thermodynamic 
processes that govern the climate system (e.g., atmosphere-ocean-land 
interactions, large scale, low frequency waves, teleconnections).  
Intraseasonal to decadal climate variations (e.g., anomalous temperature, 
pressure, circulation, and precipitation patterns; Madden-Julian Oscillation; El 
Nino/La Nina/Southern Oscillation; North Atlantic Oscillation/Arctic 
Oscillation).  Impacts of climate variations on circulation systems, and the 
role of climatology in analysis and forecasting.  Introduction to the use of 
climatology in planning and conducting military operations with case studies 
from regions of DoD interest.  Some aspects of this course may require that 
students have a secret clearance.  The course focuses on the atmospheric 
and oceanic components of the climate system, but the land and space 
components will be addressed in greater depth if there is sufficient student 
interest. Pre-requisites: MR 3321 and 3222, or a more advanced course (e.g., 
MR 3234, MR 3252), or consent of instructor. 
                                                  NPS Climo,, Oct 05
NPS Course
Advanced Climatology, MR 4250
Quarter Units:  3
Instructor:  Prof. Tom Murphree

Course Description
Advanced topics in climate science, operational climatology, and military 
applications of climatology.  Topics include: (1) advanced analyses of 
regional and local climate patterns and processes, especially in areas of DoD 
interest; (2) statistical, dynamical, and numerical modeling methods used in 
operational climate analysis and forecasting; (3) strategic implications of long 
term global climate change; (4) role of climatology in strategic to tactical level 
planning of military operations; (5) assessments of NOAA, Air Force, and 
Navy climatology methods and products; and (6) student development of 
military climatology products based on civilian and military methods and 
products.  This course places a strong emphasis on the applications of 
climate science to military operations, and some aspects of the course may 
require that students have a secret clearance.  The course focuses on the 
atmospheric and oceanic components of the climate system, but the land and 
space components will be addressed in greater depth if there is sufficient 
student interest.  Prerequisite: Students are strongly encouraged to take MR 
3610 before MR 4250, or to get the consent of the instructor.

                                                  NPS Climo,, Oct 05
Guest Presentations in NPS Climatology Courses
Waves in the Tropics
         Dr. Roland Madden, NCAR

Statistical Methods in Climatology: EOFs, SVDs, CCAs, and More
          Prof. Pat Harr, NPS

Military Applications of Smart Climatology
          Col D. Smarsh, USAF

Climatology in Joint Operational Planning
         Capt J. Hernandez and Capt D. Wunder, USAF

Smart Climatology in Support of Naval War Fighters
         LCDR B. Ford, USN

Operational Climatology in the U.S. Air Force
         Capt J. Jarry, USAF

Operational Typhoon Climatology for Western North Pacific Air Bases
         Capt K. Burton, USAF

Operational Climatology in OIF
         Capt Chris Weaver, USAF

Development of DoD Climatology Briefs
        Maj Karen Darnell and Maj Mark LaJoie, USAF    NPS Climo,, Oct 05

To top