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Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik

Data assimilation in Austria

Florian Meier, Xin Yan, Stefan Schneider, Christoph Wittmann, Yong Wang

ZAMG


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


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


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


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


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


Case study: 23rd July 2009 (squall line)

20.00 UTC

precipitation

18.00-21.00 UTC

INCA-Analyse



INCA-Analyse

CANARI

OPER

CANARI+3DVAR

23rd July 2009 00 UTC run: precipitation 18 UTC - 21 UTC



23rd July 2009 00 UTC run: precipitation 18 UTC - 24 UTC

ASCAT-SURFEX

INCA-Analyse OPER


Systematic deviation in snow cover caused by CANARI

NOAA-NESDIS OBS


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)


Verification over Austria: T2m

stations below 500m stations above 500m

June 2010

January 2010

OPER

CANARI+3D-Var

12 UTCruns


Verification over Austria: RH2m

stations below 500m

January 2010

June 2010

OPER

CANARI+3D-Var

stations above 500m12 UTCruns


Verification over Austria: Windspeed 10m

stations below 500m

January 2010

June 2010

OPER

CANARI+3D-Var

stations above 500m12 UTCruns


Verification over Austria: mean sea level pressure

stations below 500m

January 2010

June 2010

OPER

CANARI+3D-Var

12 UTCruns


Verification over Central Europe: relative humidity

June 2010, 12 UTC runs

RMSE

BIAS

850hPa

850hPa

500hPa

500hPa


Verification over Central Europe: temperature


BIAS

850hPa

850hPa

500hPa

500hPa

RMSE


Verification over Central Europe: wind

BIAS

850hPa

850hPa

500hPa

500hPa

RMSE



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


verification I

verification of forecasted 2m-temperature for July 20-30, 2009

OPER

ASSIM


verification II

verification of forecasted 2m-relative humidity for July 20-30, 2009

OPER

ASSIM


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


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


Monitoringsoftware (entwickelt im LACE Konsortium)

Zur Darstellung der aktuellen Assimilationsinkremente


Monitoringsoftware (entwickelt im LACE Konsortium)

Beobachtung -“first guess“ Analyse -“first guess“

Status des Beobachtungs-systemsz.B. 2m Temperatur


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



20.00 UTC

Niederschlag

18.00-21.00 UTC

INCA-Analyse




INCA-Analyse

CANARI

OPER

CANARI+3DVAR





INCA-AnalyseCANARI+3DVAR

3DVAR+GPS SURFEX+ASCAT



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)



Bodendruck/hPa 10m Wind/(m/s)

RMSE

MAE

BIAS

OPER3DVAR+CANARI

Vorhersagezeit Vorhersagezeit


Verifikation der Höhenfelder (24.1.-8.2.2010): Temperatur

Bias

Bias

700h

P a50

0hP a

RMSE

RMSE

OPER3DVAR+CANARI


Verifikation der Höhenfelder (24.1.-8.2.2010): rel. Feuchte

Bias

Bias

700h

P a50

0hP a

RMSE

RMSE

OPER3DVAR+CANARI


Verifikation der Höhenfelder (24.1.-8.2.2010): Geopotential

Bias

700h

P a50

0hP a

RMSE

RMSE

Bias

OPER3DVAR+CANARI


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


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


Warum Datenassimilation an der ZAMG ?

Globalmodellgitter

Beobachtung

Beobachtung

ALADIN-Gitter

Globale Assimilation „Downscaling“

Direkte AssimilationIn 3D-Var


Datenassimilationsverfahren:

• 3D-Var:

Minimierung einer Kostenfunktion

R: BeobachtungsfehlermatrixB: HintergrundsfehlermatrixH: Transformationsfunktion

xa: Analysevektorxb: First Guess-Vektoryo: Beobachtungsvektor


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


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



T2m/°C Rel. Feuchte 2m / %

OPER3DVAR+CANARI

Vorhersagezeit 0-72h Vorhersagezeit


Verifikation der Höhenfelder (24.1.-8.2.2010): Wind

Bias

700h

P a50

0hP a

RMSE

RMSE

Bias

OPER3DVAR+CANARI


Negativer Feuchtebias in der Grenzschicht

Bias

RMSE

925h

P a92

5hP a

Rel. Feuchte /%

Temperatur /K

Bias RMSE


Geopotential und Wind 925 hPa

Bias

RMSE

925h

P a92

5hP a

Geopotential /gpdm

Wind /(m/s)

Bias RMSE


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


Niederschlag / 3h bis Termin

INCA

Analyse18.00 UTC

ALADIN-Austria 00 Uhr Lauf ALADIN-Austria+ ASSIM.


ALADIN-Austria 00 Uhr Lauf ALADIN-Austria+ ASSIM.


INCA

Analyse19.00 UTC


ALADIN-Austria 00 Uhr Lauf


INCA

Analyse20.00 UTC

ALADIN-Austria+ ASSIM.




INCA

Analyse21.00 UTC





INCA

Analyse22.00 UTC





INCA

Analyse23.00 UTC



6

4

2

0

-2

-4

-6

322824201612842

OPER-ALADIN mit Assim.OPER

2m Temperatur

23. Juli 2009 0.00 UTC +1h


3733292521171397

OPER-ALADIN mit Assim.OPER

2m Temperatur

23. Juli 2009 0.00 UTC +18 h


2m Temperatur

INCA Analyse 18.00 UTC

(Pistotnik 2009)


Nutzen der Datenassimilation

ECMWFSaisonalmittelBodenluftdruckvorhersageFür die NordhemisphäreWinter DJF 1985-2004

RM

S in

hP

A

Größere

Änderungen am Datenassimilations-

system


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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