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Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Data assimilation in Austria
Florian Meier, Xin Yan, Stefan Schneider, Christoph Wittmann, Yong Wang
ZAMG
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Assimilation system: ALADIN-Austria parallel run
Coupling with ARPEGE forecasts (3h coupling interval) Forecasts: 00 / 12 UTC +72h, 06/18 UTC +12h; 03 UTC +3h Domain: 300x270 grid points; 9.6 km horizontal resolution; 60
layers cy35t1: 001,927,fullpos cy32t1: BATOR, CANARI, SCREENING, MINIMIZATION,
BLEND, BLENDSUR Calculations at ZAMG; NEC SX8 Controlled by kornshell scripts
(5 masterscripts + templates)
no SMS
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Observations:
CANARI: SYNOP+TAWES: T
2m, RH
2m (ZAMG data base)
3D-Var: SYNOP+TAWES: Φ, T
2m , RH2m (ZAMG data base)
SHIP: U, V, T, RH, Φ (ZAMG dta base)TEMP: U, V, T, q, Φ (OPLACE)(03UTC ZAMG data base)AIREP: U, V, T (OPLACE)(03UTC ZAMG data base)Windprofiler: U, V (OPLACE)SAT (ATOVS, AMSU-A/B): radiances (OPLACE-obsoul)SAT (GEOWIND): U, V (OPLACE-obsoul)
experiments with GPS-data (Xin Yan) and ASCAT/SURFEX soil moisture (Stefan Schneider); no use of BUFR/GRIB data so far
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Scheme of the assimilation cycle at ZAMG
(3DVAR+CANARI)
00/12 UTC
0/6/12/18 UTC
3D-Var
ALADIN-
analysis
ALADIN-
first guess
CANARI
ARPEGE SST
+6h forecast
CANARI
3D-Var
ALADIN-
analysis
+72hforecast
ARPEGE SST
Long cutoffcycle
Short cutoff„cycle“
and +72 h forecast
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Timetable of the assimilation
BATOR
BATOR
CANARI
BLENDSUR
Interpolation ARPEGE 927
SCREENING
CCMA
minimization
interpolation coupling files 927
forecast 001/ fullpos
BLENDSUR
observationsSST Blendsur
forecast first guess+72 h
+6 h
OBSOUL format
CANARI3D-Var
8 pr
ogno
stic
fiel
ds
BLEND hydrometeors
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Special features
B-Matrix: ensemble method (Berre) 50 days training period (20080222-20080412)
Static bias correction (file from HMS) Local SYNOP/TAWES data Additional assimilation step at 03 UTC Data thinning is included in screening Tuning: REDNMC=1.4 Blacklisting of SYNOP in 3D-Var if ORODIF
exceeds 700m threshold CANARI: ORODIF=950m, OROLIM=2900m
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Case study: 23rd July 2009 (squall line)
20.00 UTC
precipitation
18.00-21.00 UTC
INCA-Analyse
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Case study: 23rd July 2009 (squall line)
INCA-Analyse
CANARI
OPER
CANARI+3DVAR
23rd July 2009 00 UTC run: precipitation 18 UTC - 21 UTC
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Case study: 23rd July 2009 (squall line)
23rd July 2009 00 UTC run: precipitation 18 UTC - 24 UTC
ASCAT-SURFEX
INCA-Analyse OPER
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Systematic deviation in snow cover caused by CANARI
NOAA-NESDIS OBS
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Evaluation: weaknesses and strengths
Improvement of T2m, RH2m Slight Improvement of precipitation (SAL verification) No overall upper-air improvement More snow due to CANARI T2m bias in winter at low terrain Bias correction -> should be improved few satellite data used; geowind rejected Case studies: squall lines, flooding show differences, but no obvious
improvement compared to dynamical downscalingRoom for improvement:
Switch to cy36t1: VARBC; more satellite data (in progress) Coupling of CANARI + 3D-Var in series instead of parallel Tuning / B-matrix Switch to higher resolution (5 km)
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verification over Austria: T2m
stations below 500m stations above 500m
June 2010
January 2010
OPER
CANARI+3D-Var
12 UTCruns
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verification over Austria: RH2m
stations below 500m
January 2010
June 2010
OPER
CANARI+3D-Var
stations above 500m12 UTCruns
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verification over Austria: Windspeed 10m
stations below 500m
January 2010
June 2010
OPER
CANARI+3D-Var
stations above 500m12 UTCruns
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verification over Austria: mean sea level pressure
stations below 500m
January 2010
June 2010
OPER
CANARI+3D-Var
12 UTCruns
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verification over Central Europe: relative humidity
June 2010, 12 UTC runs
RMSE
BIAS
850hPa
850hPa
500hPa
500hPa
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verification over Central Europe: temperature
June 2010, 12 UTC runs
BIAS
850hPa
850hPa
500hPa
500hPa
RMSE
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verification over Central Europe: wind
BIAS
850hPa
850hPa
500hPa
500hPa
RMSE
June 2010, 12 UTC runs
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
SURFEX
SURFEX (SURFace EXternalisée)
• assimilation based on the Simplified Extended Kalman Filter (EKF) • version: 4.8 • prognostic variables: wg, w2, Ts, T2 • data to assimilate: soil moisture, T2M, RH2M• data screening: CDF matching, quality flags
• 6hourly assimilation cycle every 6 hours
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
verification I
verification of forecasted 2m-temperature for July 20-30, 2009
OPER
ASSIM
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
verification II
verification of forecasted 2m-relative humidity for July 20-30, 2009
OPER
ASSIM
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
verification III
SAL verification of forecasted precipitation for July 20-30, 2009
A: 0.46 vs 0.54
S: -0.01 vs 0.08
L: 0.29 vs 0.29
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Fallbeispiel: 23. Juli 2009 (Squall Line)
Niederschlag 18.00-21.00 UTC
INCA-AnalyseCANARI+3DVAR
3DVAR+GPS SURFEX+ASCAT
23. Juli 00 UTC Lauf: Niederschlag 18 UTC - 21 UTC
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Monitoringsoftware (entwickelt im LACE Konsortium)
Zur Darstellung der aktuellen Assimilationsinkremente
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Monitoringsoftware (entwickelt im LACE Konsortium)
Beobachtung -“first guess“ Analyse -“first guess“
Status des Beobachtungs-systemsz.B. 2m Temperatur
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Aktivitäten im letzten Jahr
Einzeltests zu 3D-Var und Bodenassimilation Zusammenschalten von Bodenassimilation und 3D-Var Aufbau eines prä-operationellen Assimilationszyklus -
Fehlerbereinigung Einbindung von TAWES-Stationsbeobachtungen in die
Datenassimilation Ausdünnung der Satelliten- und Flugzeugbeobachtungsdaten Installation der LACE Monitoringsoftware Tuningmaßnahmen Vergleich mit operationellen ALADIN-Modellergebnissen und
weiteren Experimenten zur Datenassimilation: SURFEX/ASCAT GPS-Assimilation
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Fallbeispiel: 23. Juli 2009 (Squall Line)
20.00 UTC
Niederschlag
18.00-21.00 UTC
INCA-Analyse
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Fallbeispiel: 23. Juli 2009 (Squall Line)
Niederschlag 18.00-21.00 UTC
INCA-Analyse
CANARI
OPER
CANARI+3DVAR
23. Juli 00 UTC Lauf: Niederschlag 18 UTC - 21 UTC
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Fallbeispiel: 23. Juli 2009 (Squall Line)
Niederschlag 18.00-21.00 UTC
INCA-AnalyseCANARI+3DVAR
3DVAR+GPS SURFEX+ASCAT
23. Juli 00 UTC Lauf: Niederschlag 18 UTC - 21 UTC
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verifikation 24.1.-8.2.2010 bodennahe Felder
T2m/°C Rel. Feuchte 2m / %
OPER3DVAR+CANARI
Vorhersagezeit 0-72h Vorhersagezeit 0-72h
RMSE
MAE
BIAS
(58 österreichische Stationen)
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verifikation 24.1.-8.2.2010 bodennahe Felder
Bodendruck/hPa 10m Wind/(m/s)
RMSE
MAE
BIAS
OPER3DVAR+CANARI
Vorhersagezeit Vorhersagezeit
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verifikation der Höhenfelder (24.1.-8.2.2010): Temperatur
Bias
Bias
700h
P a50
0hP a
RMSE
RMSE
OPER3DVAR+CANARI
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verifikation der Höhenfelder (24.1.-8.2.2010): rel. Feuchte
Bias
Bias
700h
P a50
0hP a
RMSE
RMSE
OPER3DVAR+CANARI
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verifikation der Höhenfelder (24.1.-8.2.2010): Geopotential
Bias
700h
P a50
0hP a
RMSE
RMSE
Bias
OPER3DVAR+CANARI
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Zusammenfassung
Bodenassimilation und 3D-Var wurden erfolgreich zusammengeschaltet; Monitoringsoftware wurde installiert
Die Zuverlässigkeit des automatischen Assimilationszyklus wurde erhöht (derzeit etwa 1 Ausfall pro 6 Wochen)
Verbesserung bei den bodennahen Feldern vor allem beim Bias und in den ersten Vorhersagestunden (+12h)
Höhenfelder haben etwa identische Qualität zum operationellen ALADIN-Austria
Längere Verifikationszeitreihen nötig
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Ausblick
Verbesserungsbedarf bei Bergstationen, Grenzschichtfeuchte und Bodeninkrementen bei schneebedecktem Boden
Aktualisierung der Modellversion cy32 -> cy36
Einflechtung zusätzlicher Beobachtungsdaten
Tuningmaßnahmen
Erhöhung der Horizontalauflösung auf 5km
Übergang zum operationellen Einsatz
Wechsel zur Koppelung mit ECMWF-Randdaten
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Warum Datenassimilation an der ZAMG ?
Globalmodellgitter
Beobachtung
Beobachtung
ALADIN-Gitter
Globale Assimilation „Downscaling“
Direkte AssimilationIn 3D-Var
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Datenassimilationsverfahren:
• 3D-Var:
Minimierung einer Kostenfunktion
R: BeobachtungsfehlermatrixB: HintergrundsfehlermatrixH: Transformationsfunktion
xa: Analysevektorxb: First Guess-Vektoryo: Beobachtungsvektor
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Datenassimilationsverfahren:
Bodenassimilation Optimal Interpolation (OI):
Interpolation und statistisch optimale Gewichtung der Beobachtungen gegenüber dem „First Guess“
xa: Analysevektorxb: First Guess-Vektoryo: BeobachtungsvektorW: Gewichtungsmatrix
R: BeoobachtungsfehlermatrixB: HintergrundsfehlermatrixH: Transformationsfunktion
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Bodenfeuchteanalyse: CANARI OI(Mahfouf J. Appl. Meteor. 1991)
CANARI: Code for the Analysis Necessary for ARPEGE for its Rejects and its Initialisation
Bestimmung der Bodenfeuchte und Bodentemperaturen aus den Modellwerten und dem Unterschied von T2m/RH2m zwischen Modell und Beobachtung
Tp Wp
T2m/RH2m
Ws
Ts
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verifikation 24.1.-8.2.2010 bodennahe Felder
T2m/°C Rel. Feuchte 2m / %
OPER3DVAR+CANARI
Vorhersagezeit 0-72h Vorhersagezeit
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verifikation der Höhenfelder (24.1.-8.2.2010): Wind
Bias
700h
P a50
0hP a
RMSE
RMSE
Bias
OPER3DVAR+CANARI
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Negativer Feuchtebias in der Grenzschicht
Bias
RMSE
925h
P a92
5hP a
Rel. Feuchte /%
Temperatur /K
Bias RMSE
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Geopotential und Wind 925 hPa
Bias
RMSE
925h
P a92
5hP a
Geopotential /gpdm
Wind /(m/s)
Bias RMSE
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Schema des Assimilationszyklus an der ZAMG
(3DVAR+CANARI Bodenassimilation)
Zyklus mit langem
Kontrollschluss
Zyklus mit kurzem
KontrollschlussUnd 72 h-
Vorhersage00/12 UTC
0/6/12/18 UTC
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Niederschlag / 3h bis Termin
INCA
Analyse18.00 UTC
ALADIN-Austria 00 Uhr Lauf ALADIN-Austria+ ASSIM.
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
ALADIN-Austria 00 Uhr Lauf ALADIN-Austria+ ASSIM.
Niederschlag / 3h bis Termin
INCA
Analyse19.00 UTC
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
ALADIN-Austria 00 Uhr Lauf
Niederschlag / 3h bis Termin
INCA
Analyse20.00 UTC
ALADIN-Austria+ ASSIM.
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
ALADIN-Austria 00 Uhr Lauf
Niederschlag / 3h bis Termin
INCA
Analyse21.00 UTC
ALADIN-Austria+ ASSIM.
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
ALADIN-Austria 00 Uhr Lauf
Niederschlag / 3h bis Termin
INCA
Analyse22.00 UTC
ALADIN-Austria+ ASSIM.
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
ALADIN-Austria 00 Uhr Lauf
Niederschlag / 3h bis Termin
INCA
Analyse23.00 UTC
ALADIN-Austria+ ASSIM.
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
6
4
2
0
-2
-4
-6
322824201612842
OPER-ALADIN mit Assim.OPER
2m Temperatur
23. Juli 2009 0.00 UTC +1h
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
3733292521171397
OPER-ALADIN mit Assim.OPER
2m Temperatur
23. Juli 2009 0.00 UTC +18 h
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
2m Temperatur
INCA Analyse 18.00 UTC
(Pistotnik 2009)
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Nutzen der Datenassimilation
ECMWFSaisonalmittelBodenluftdruckvorhersageFür die NordhemisphäreWinter DJF 1985-2004
RM
S in
hP
A
Größere
Änderungen am Datenassimilations-
system
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Ablaufplan der Datenassimilation
BATOR
BATOR
CANARI
BLENDING
Interpolation ARPEGE
SCREENING
CCMA
Minimization
Interpolation ARPEGE
VORHERSAGELAUF
BLENDING
BeobachtungenSST Blending
Vorhersage First Guess+72 h
+6 h
OBSOUL FORMAT (ASCII)
CANARI3D-Var
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