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

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„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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Beobachtungen

DWD-Messnetz

1403

Radius=125 kmDoppler Radar

Radarkomposit

ca. 4000 Stationen mit täglichen Niederschlagsmessungen

Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick

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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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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

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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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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

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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

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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

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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

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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

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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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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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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

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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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• 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

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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

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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

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Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick

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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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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

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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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Datensatz Jahresniederschlag ZusammenfassungS A L Ausblick