23.oktober 2006
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Institut für Physik der Atmosphäre – Universität Mainz, Deutschland. Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland. Projekt: VERIPREG. Marcus Paulat , Heini Wernli – Institut für Physik der Atmosphäre, Universität Mainz - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
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
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
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
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
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
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
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]
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
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
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
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
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
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
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
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
Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland
Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick
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
23.Oktober 2006Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli
Nie
der
sch
lag
smen
ge
[m
m/(
Git
terp
un
kt b
zw.S
tati
on
)]
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