23.Oktober 2006 Marcus Paulat, Heini Wernli – Institut für Physik der Atmosphäre, Universität Mainz Christoph Frei – Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie,

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


„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




Beobachtungen

DWD-Messnetz

1403

Radius=125 kmDoppler Radar

Radarkomposit

ca. 4000 Stationen mit täglichen Niederschlagsmessungen




Stationsdaten Radarkomposit

„genaue“ Menge zeitliche Variabilität

1404

Disaggregierung (MAP: Hagen et al. 2003)






Disaggregierung

Datensatz mit stündlicher Auflösung

auf dem 7km-Gitter

1404







Disaggregierung

Datensatz mit stündlicher Auflösung

auf dem 7km-Gitter

1404

Verwendung dieses Datensatzes für andere

Projekte möglich





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




LM (6-30h, 00UTC)gegitterte Stationsdaten aLMo (6-30h, 00UTC)

Jahresniederschlag 2004

1406


1400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

mm/Jahr


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


aLMo Beob LM



S A L – ein neues Fehlermaß für Niederschlagsverifikation

• Perspektive: Niederschlag in bestimmten Gebieten (z.B. Flusseinzugsgebiete)

1407





• 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


1407




Rmax = 7mm


• 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


• aber: kein direkter Zusammenhang der Objekte in Modell und Beobachtung erforderlich

Rsw = 1mm

1407




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)




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




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




S A L an einem realen Beispiel

LM ECMWF

1411

Beobachtung

Rsw = Rmax(Gebiet)/15



S, A [-2,…,0,…,+2] ; L [0,…,1]


S A L an einem realen Beispiel

LM ECMWF

1411

Beobachtung

Rsw = Rmax(Gebiet)/15



S, A [-2,…,0,…,+2] ; L [0,…,1]

L ≈ 0

A = -0.15

S = 0.63

L ≈ 0

A ≈ 0

S = 0.17


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




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




• 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



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


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




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




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




Nie

der

sch

lag

smen

ge

[m

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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



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