ERA-Interim is the latest global atmospheric reanalysis produced by the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF). The ERA-Interim project was conducted in part to prepare for a new atmospheric reanalysis to replace ERA-40, which will extend back to the early part of the twentieth century. This article describes the forecast model, data assimilation method, and input datasets used to produce ERA-Interim, and discusses the performance of the system. Special emphasis is placed on various difficulties encountered in the production of ERA-40, including the representation of the hydrological cycle, the quality of the stratospheric circulation, and the consistency in time of the reanalysed fields. We provide evidence for substantial improvements in each of these aspects. We also identify areas where further work is needed and describe opportunities and objectives for future reanalysis projects at ECMWF. Copyright © 2011 Royal Meteorological Society

Abstract ERA‐40 is a re‐analysis of meteorological observations from September 1957 to August 2002 produced by the European Centre for Medium‐Range Weather Forecasts (ECMWF) in collaboration with many institutions. The observing system changed considerably over this re‐analysis period, with assimilable data provided by a succession of satellite‐borne instruments from the 1970s onwards, supplemented by increasing numbers of observations from aircraft, ocean‐buoys and other surface platforms, but with a declining number of radiosonde ascents since the late 1980s. The observations used in ERA‐40 were accumulated from many sources. The first part of this paper describes the data acquisition and the principal changes in data type and coverage over the period. It also describes the data assimilation system used for ERA‐40. This benefited from many of the changes introduced into operational forecasting since the mid‐1990s, when the systems used for the 15‐year ECMWF re‐analysis (ERA‐15) and the National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research (NCEP/NCAR) re‐analysis were implemented. Several of the improvements are discussed. General aspects of the production of the analyses are also summarized. A number of results indicative of the overall performance of the data assimilation system, and implicitly of the observing system, are presented and discussed. The comparison of background (short‐range) forecasts and analyses with observations, the consistency of the global mass budget, the magnitude of differences between analysis and background fields and the accuracy of medium‐range forecasts run from the ERA‐40 analyses are illustrated. Several results demonstrate the marked improvement that was made to the observing system for the southern hemisphere in the 1970s, particularly towards the end of the decade. In contrast, the synoptic quality of the analysis for the northern hemisphere is sufficient to provide forecasts that remain skilful well into the medium range for all years. Two particular problems are also examined: excessive precipitation over tropical oceans and a too strong Brewer‐Dobson circulation, both of which are pronounced in later years. Several other aspects of the quality of the re‐analyses revealed by monitoring and validation studies are summarized. Expectations that the ‘second‐generation’ ERA‐40 re‐analysis would provide products that are better than those from the firstgeneration ERA‐15 and NCEP/NCAR re‐analyses are found to have been met in most cases. © Royal Meteorological Society, 2005. The contributions of N. A. Rayner and R. W. Saunders are Crown copyright.

In this paper a summary is given of observations and modeling efforts on surface fluxes, carried out at Cabauw in The Netherlands and during MESOGERS-84 in the south of France. Emphasis is put on those aspects that are important from a modeling point of view, e.g., surface roughness lengths for momentum and heat, stomatal resistance for evaporation, and related quantities. Special attention is paid to the problem of subgrid surface inhomogeneities up to horizontal scales of a few kilometers. A qualitative explanation is given for the apparent low values of the roughness length for heat. Simple flux parameterizations are compared with observations, and empirical closure functions are proposed to model the transfer coefficients between the surface and the first model layer.

Abstract The Tiled ECMWF Scheme for Surface Exchanges over Land (TESSEL) is used operationally in the Integrated Forecast System (IFS) for describing the evolution of soil, vegetation, and snow over the continents at diverse spatial resolutions. A revised land surface hydrology (H-TESSEL) is introduced in the ECMWF operational model to address shortcomings of the land surface scheme, specifically the lack of surface runoff and the choice of a global uniform soil texture. New infiltration and runoff schemes are introduced with a dependency on the soil texture and standard deviation of orography. A set of experiments in stand-alone mode is used to assess the improved prediction of soil moisture at the local scale against field site observations. Comparison with basin-scale water balance (BSWB) and Global Runoff Data Centre (GRDC) datasets indicates a consistently larger dynamical range of land water mass over large continental areas and an improved prediction of river runoff, while the effect on atmospheric fluxes is fairly small. Finally, the ECMWF data assimilation and prediction systems are used to verify the effect on surface and near-surface quantities in the atmospheric-coupled mode. A midlatitude error reduction is seen both in soil moisture and in 2-m temperature.

Abstract The collective representation within global models of aerosol, cloud, precipitation, and their radiative properties remains unsatisfactory. They constitute the largest source of uncertainty in predictions of climatic change and hamper the ability of numerical weather prediction models to forecast high-impact weather events. The joint European Space Agency (ESA)–Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) Earth Clouds, Aerosol and Radiation Explorer (EarthCARE) satellite mission, scheduled for launch in 2018, will help to resolve these weaknesses by providing global profiles of cloud, aerosol, precipitation, and associated radiative properties inferred from a combination of measurements made by its collocated active and passive sensors. EarthCARE will improve our understanding of cloud and aerosol processes by extending the invaluable dataset acquired by the A-Train satellites CloudSat, Cloud–Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO), and Aqua. Specifically, EarthCARE’s cloud profiling radar, with 7 dB more sensitivity than CloudSat, will detect more thin clouds and its Doppler capability will provide novel information on convection, precipitating ice particle, and raindrop fall speeds. EarthCARE’s 355-nm high-spectral-resolution lidar will measure directly and accurately cloud and aerosol extinction and optical depth. Combining this with backscatter and polarization information should lead to an unprecedented ability to identify aerosol type. The multispectral imager will provide a context for, and the ability to construct, the cloud and aerosol distribution in 3D domains around the narrow 2D retrieved cross section. The consistency of the retrievals will be assessed to within a target of ±10 W m–2 on the (10 km)2 scale by comparing the multiview broadband radiometer observations to the top-of-atmosphere fluxes estimated by 3D radiative transfer models acting on retrieved 3D domains.

Abstract. ERA-Interim/Land is a global land surface reanalysis data set covering the period 1979–2010. It describes the evolution of soil moisture, soil temperature and snowpack. ERA-Interim/Land is the result of a single 32-year simulation with the latest ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) land surface model driven by meteorological forcing from the ERA-Interim atmospheric reanalysis and precipitation adjustments based on monthly GPCP v2.1 (Global Precipitation Climatology Project). The horizontal resolution is about 80 km and the time frequency is 3-hourly. ERA-Interim/Land includes a number of parameterization improvements in the land surface scheme with respect to the original ERA-Interim data set, which makes it more suitable for climate studies involving land water resources. The quality of ERA-Interim/Land is assessed by comparing with ground-based and remote sensing observations. In particular, estimates of soil moisture, snow depth, surface albedo, turbulent latent and sensible fluxes, and river discharges are verified against a large number of site measurements. ERA-Interim/Land provides a global integrated and coherent estimate of soil moisture and snow water equivalent, which can also be used for the initialization of numerical weather prediction and climate models.

A new version of the ECMWF land surface parameterization scheme is described. It has four prognostic layers in the soil for temperature and soil moisture, with a free drainage and a zero heat flux condition at the bottom as a boundary condition. The scheme has been extensively tested in stand-alone mode with the help of long observational time series from three different experiments with different climatological regimes: the First ISLSCP (International Satellite Land Surface Climatology Project) Field Experiment in the United States, Cabauw in the Netherlands, and the Amazonian Rainforest Meteorological Experiment in Brazil. The emphasis is on seasonal timescales because it was felt that the main deficiencies in the old ECMWF land surface scheme were related to its capability of storing precipitation in spring and making it available for evaporation later in the year. It is argued that the stand-alone testing is particularly important, because it allows one to isolate problems in the land surface scheme without having to deal with complicated interactions in the full three-dimensional model.

Abstract This paper investigates the idea of formulating free convection in large‐scale models as a special case of forced convection. In free convection, the wind speed in the surface transfer law is related to the velocity of the large eddies in the mixed layer and is proportional to the convection velocity scale. The empirical coefficient is estimated with the help of large eddy simulation data by Sykes et al. (1993) and the resulting formulation is compared with field data by Stull (1994). This concept is shown to be applicable to smooth ocean surfaces as well as rough land surfaces. It is argued that within this framework, free convection is a natural extension of forced convection and only needs a minor modification of traditional transfer laws.

This paper discusses the sensitivity of short- and medium-range precipitation forecasts for the central United States to land surface parametrization and soil moisture anomalies. Two forecast systems with different land surface and boundary layer schemes were running in parallel during the extreme rainfall events of July 1993. One forecast system produces much better precipitation forecasts due to a more realistic thermodynamic structure resulting from improved evaporation in an area that is about 1 day upstream from the area of heaviest rain. The paper also discusses two ensembles of 30-day integrations for July 1993. In the first ensemble, soil moisture is initialized at field capacity (100% availability); in the second ensemble it is at 25% of soil moisture availability. It is shown that the moist integrations produce a much more realistic precipitation pattern than the dry integrations. These results suggest that there may be some predictive skill in the monthly range related to the time-scale of the soil moisture reservoir. The mechanism responsible for the precipitation differences is concluded to be the result of differences in surface heating in the area 1 day upstream, impacting the atmospheric thermo-dynamic structure. Increased evaporation and reduced heating in moist soil conditions upstream result in the absence of significant boundary layer capping inversion and hence little inhibition of deep precipitating convection.

The representation of the atmospheric boundary layer is an important part of weather and climate models and impacts many applications such as air quality and wind energy. Over the years, the performance in modeling 2-m temperature and 10-m wind speed has improved but errors are still significant. This is in particular the case under clear skies and low wind speed conditions at night as well as during winter in stably stratified conditions over land and ice. In this paper, the authors review these issues and provide an overview of the current understanding and model performance. Results from weather forecast and climate models are used to illustrate the state of the art as well as findings and recommendations from three intercomparison studies held within the Global Energy and Water Exchanges (GEWEX) Atmospheric Boundary Layer Study (GABLS). Within GABLS, the focus has been on the examination of the representation of the stable boundary layer and the diurnal cycle over land in clear-sky conditions. For this purpose, single-column versions of weather and climate models have been compared with observations, research models, and large-eddy simulations. The intercomparison cases are based on observations taken in the Arctic, Kansas, and Cabauw in the Netherlands. From these studies, we find that even for the noncloudy boundary layer important parameterization challenges remain.