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23.Oktober 2006
Marcus Paulat, Heini Wernli – Institut für Physik der Atmosphäre, Universität Mainz
Christoph Frei – Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie, MeteoSchweiz Zürich
Martin Hagen - Institut für Physik der Atmosphäre, DLR Oberpfaffenhofen
Verifikation von hoch aufgelösten
Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
Diese Arbeit ist ein Teil des SPP 1167 – Quantitative Niederschlagsvorhersage (QNV) und wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.
Institut für Physik der Atmosphäre – Universität Mainz, Deutschland
Projekt: VERIPREG
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kurze Übersicht
23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
• Datengrundlage (Modell und Beobachtungen)
• ein für Deutschland neuartiger, hoch aufgelöster Datensatz
aus Beobachtungen
• S A L – ein neuer Ansatz zur Niederschlagsverifikation
(i) technische Details
(ii) erste Ergebnisse
1401
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
„Lokal-Modell“ (LM/aLMo)
LM vom DWD: Okt. 2003 – Dez. 2004
aLMo der MeteoSchweiz: Jan. 2001 – Dez. 2004
• Modellgebiet etwa 2000 km²
• etwas nach Südwesten verschoben
• Randbedingungen vom GME/ECMWF
• seit 1999 im operationellen Betrieb
• nicht-hydrostatisches Gitterpunktmodell
• horizontale Auflösung: 7 km
• 35 vertikale Schichten
• zwei 48h-Vorhersagen (00/12 UTC)
• Vorhersagefelder jede Stunde
>4000
3000
2000
1500
0
50
100
150
200
300
500
750
1000
MeterLM-Topographie für Deutschland
55.3 N
47.0 N
5.3 E 15.6 E
Bre
ite
[G
rad
]
Länge [Grad]
1402
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
Beobachtungen
DWD-Messnetz
1403
Radius=125 kmDoppler Radar
Radarkomposit
ca. 4000 Stationen mit täglichen Niederschlagsmessungen
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
Stationsdaten Radarkomposit
„genaue“ Menge zeitliche Variabilität
1404
Disaggregierung (MAP: Hagen et al. 2003)
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
Stationsdaten Radarkomposit
„genaue“ Menge zeitliche Variabilität
Disaggregierung
Datensatz mit stündlicher Auflösung
auf dem 7km-Gitter
1404
Disaggregierung (MAP: Hagen et al. 2003)
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
Stationsdaten Radarkomposit
„genaue“ Menge zeitliche Variabilität
Disaggregierung
Datensatz mit stündlicher Auflösung
auf dem 7km-Gitter
1404
Verwendung dieses Datensatzes für andere
Projekte möglich
Disaggregierung (MAP: Hagen et al. 2003)
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
Niederschlagsdatensatz zur Verifikation
• Stationsdaten auf das Modell-Gitter setzen: Methode von Frei und Schär (1998)
• der Datensatz (aLMo, Stationen, Radar) umfasst momentan 2001-2004
1405
1400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
mm/Jahr
mittlerer Jahresniederschlag (2001-2004)
250
-250
-150
-100
-60
-20
20
60
100
150
mm/Jahr
gegitterte Stationsdaten aLMo (6-30h, 00UTC) Differenz aLMo - Beobachtung
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
LM (6-30h, 00UTC)gegitterte Stationsdaten aLMo (6-30h, 00UTC)
Jahresniederschlag 2004
1406
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
1400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
mm/Jahr
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli1406
aLMo - Beobachtung LM - Beobachtung
1400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
mm/JahrJahresniederschlag 2004
250
-250
-150 -100
-60
-20
20
60
100
150
mm/Jahr
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
aLMo Beob LM
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
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S A L – ein neues Fehlermaß für Niederschlagsverifikation
• Perspektive: Niederschlag in bestimmten Gebieten (z.B. Flusseinzugsgebiete)
1407
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
S A L – ein neues Fehlermaß für Niederschlagsverifikation
• SAL besteht aus drei unabhängigen Komponenten
• berücksichtigt Struktur (S), Amplitude (A) und Ort/Location (L) in einem Gebiet
• die Vorhersage für ein Gebiet ist perfekt, wenn S = A = L = 0
• Perspektive: Niederschlag in bestimmten Gebieten (z.B. Flusseinzugsgebiete)
1407
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
Rmax = 7mm
S A L – ein neues Fehlermaß für Niederschlagsverifikation
• SAL besteht aus drei unabhängigen Komponenten
• berücksichtigt Struktur (S), Amplitude (A) und Ort/Location (L) in einem Gebiet
• die Vorhersage für ein Gebiet ist perfekt, wenn S = A = L = 0
• S-Komponente benötigt die Definition von Objekten
• Perspektive: Niederschlag in bestimmten Gebieten (z.B. Flusseinzugsgebiete)
• aber: kein direkter Zusammenhang der Objekte in Modell und Beobachtung erforderlich
Rsw = 1mm
1407
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
Skalierung jedes einzelnen Objekts: R* = R / Rmax ; R* [Rsw/Rmax, …, 1]
x
R
x
R*Rmax 1
V(R*)
SAL - die S-Komponente
Objekt-Draufsicht
Rsw
1408
Rsw/Rmax
V(R)
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
Kleine intensive vs. große schwache Objekte
x
R
x
R*
V(R*)
x
R
x
R*Rmax 1
V(R*)
A = 0 S > 0
OBS
MOD Rmax
1
1409
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
Intensive vs. schwache Objekte gleicher Größe
x
R
x
R*
V(R*)
x
R
x
R*Rmax 1
V(R*)
A < 0 S = 0
OBS
MOD Rmax
1
1410
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
S A L an einem realen Beispiel
LM ECMWF
1411
Beobachtung
Rsw = Rmax(Gebiet)/15
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
S, A [-2,…,0,…,+2] ; L [0,…,1]
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
S A L an einem realen Beispiel
LM ECMWF
1411
Beobachtung
Rsw = Rmax(Gebiet)/15
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
S, A [-2,…,0,…,+2] ; L [0,…,1]
L ≈ 0
A = -0.15
S = 0.63
L ≈ 0
A ≈ 0
S = 0.17
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
S A L - Statistik A
-Ko
mp
on
en
te
1
0
-1
-2
2
S-Komponente0
S-Komponente1 2-1-2 0 1 2-1-2
Sommer 2001-2004 für Rhein LM ECMWF
1412
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
Zusammenfassung
• Erzeugung eines stündlich aufgelösten Niederschlags-Datensatzes
aus Beobachtungen (Disaggregierung – neu für Deutschland)
• Dieser Datensatz bietet neue Möglichkeiten für die Niederschlagsanalyse
der hoch aufgelösten QNV (Bsp. Tagesgang – nicht gezeigt)
• Einführung eines neuartigen Fehlermaßes für die Niederschlagsverifikation:
S A L
• bestehend aus 3 Komponenten
• Erfassung und Verifikation der wesentlichen Merkmale von
Niederschlagsfeldern in einem definierten Gebiet
• kein Objekt-Abgleich notwendig (schwierig besonders für kleinere Obkjekte)
• SAL ist implementiert
• erste Ergebnisse mit Tagessummen für LM- und ECMWF-Vorhersagen
1413
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
• Anwendung von SAL auf stündliche Daten: disaggregierter Datensatz
und QNVs verschiedener Modelle (ECMWF 40/25km, LM 7km, LMK 2,8km)
Ausblick
2. Projektphase - ab Mitte/Ende 2007:
• weitere Tests und eventuelle Verbesserungen/Modifikationen für SAL
• stetige Ausweitung der Zeitreihe 2001-2008
• Vergleich von aLMo/LM und LMK – Auswirkung höherer Modell-Auflösung?
• Untersuchung auf Zusammenhänge zwischen QNV und den Bedingungen
in der Atmosphäre und am Boden
• Untersuchungen zu Differenzen zwischen LM und aLMo
16
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
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23.Oktober 2006
Marcus Paulat, Heini Wernli – Institut für Physik der Atmosphäre, Universität Mainz
Christoph Frei – Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie, MeteoSchweiz Zürich
Martin Hagen - Institut für Physik der Atmosphäre, DLR Oberpfaffenhofen
Verifikation der hoch aufgelösten QNVs
für Deutschland
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
RMSE-Vergleich: LM vs. ECMWF
ECMWF ~7mm/TagLM ~12mm/Tag
Sommer 2002, RMSE für Tagessummen Niederschlag
30.0
25.0
20.0
7.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
optimal
15.0
10.0
mm/Tag
add
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
S-Komponente: Sensitivität auf Objektstruktur
x
R*1
V(R*)
R*1
V(R*)
R*1
V(R*)x
x
S > 0 S < 0
OBS
MOD
add
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
S A L - Definition der Komponenten
A = (D(Rmod) - D(Robs)) / 0.5*(D(Rmod) + D(Robs))
D(…) bezeichnet das Gebietsmittel (Flusseinzugsgebiet)A [-2, …, 0, …, +2]mittlerer skalierter Amplituden-Fehler in einem betrachtetet Gebiet
L = |r(Rmod) - r(Robs)| / distmax
r(…) bezeichnet den Niederschlags-Schwerpunkt im GebietL [0, …, 1]Verschiebungsfehler des Schwerpunkts im Gebiet
S = (V(Rmod*) - V(Robs*)) / 0.5*(V(Rmod*) + V(Robs*))
V(…) bezeichnet das mittlere Volumen aller skalierter Objekte im GebietS [-2, …, 0, …, +2]mittlerer skalierter Struktur-Fehler im betrachteten Gebiet
add
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
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23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
Nie
der
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smen
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tati
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35
30
20
Uhrzeit [UTC]
00 03 06 09 12 15 18 21
15
25
40
LM
stündl. Mess.
disaggr. Daten
Verifikation des Tagesgangs im Niederschlag• Vergleich der Datensätze aus stündlichen Messungen, Disaggregierung und LM
• Sommermonate 2001-2003: Niederschlagsmenge
add
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick