23.Oktober 2006

1. 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 Christoph Frei– Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie, MeteoSchweiz Zürich Martin Hagen- Institut für Physik der Atmosphäre, DLR Oberpfaffenhofen 23.Oktober 2006 Diese Arbeit ist ein Teil des SPP 1167 – Quantitative Niederschlagsvorhersage (QNV) und wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

2. 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick kurze Übersicht • 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 01 14

3. LM-Topographie für Deutschland Meter 55.3 N >4000 3000 2000 1500 1000 750 Breite [Grad] 500 300 200 150 100 50 0 47.0 N Länge [Grad] 5.3 E 15.6 E 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung 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 02 14

4. Radarkomposit Radius=125 km Doppler Radar 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick Beobachtungen DWD-Messnetz ca. 4000 Stationen mit täglichen Niederschlagsmessungen 03 14

5. 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick Disaggregierung(MAP: Hagen et al. 2003) Stationsdaten Radarkomposit „genaue“ Menge zeitliche Variabilität 04 14

6. 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick Disaggregierung(MAP: Hagen et al. 2003) Stationsdaten Radarkomposit „genaue“ Menge zeitliche Variabilität Disaggregierung Datensatz mit stündlicher Auflösung auf dem 7km-Gitter 04 14

7. 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick Disaggregierung(MAP: Hagen et al. 2003) Stationsdaten Radarkomposit „genaue“ Menge zeitliche Variabilität Disaggregierung Datensatz mit stündlicher Auflösung auf dem 7km-Gitter Verwendung dieses Datensatzes für andere Projekte möglich 04 14

8. 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick Niederschlagsdatensatz zur Verifikation • der Datensatz (aLMo, Stationen, Radar) umfasst momentan 2001-2004 • Stationsdaten auf das Modell-Gitter setzen: Methode von Frei und Schär (1998) mittlerer Jahresniederschlag (2001-2004) mm/Jahr mm/Jahr 250 1400 1300 150 1200 100 1100 60 20 1000 900 -20 800 -60 700 -100 600 -150 500 -250 Differenz aLMo - Beobachtung aLMo (6-30h, 00UTC) gegitterte Stationsdaten 05 14

9. 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick Jahresniederschlag 2004 mm/Jahr 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 aLMo (6-30h, 00UTC) gegitterte Stationsdaten LM (6-30h, 00UTC) 06 14

10. 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick Jahresniederschlag 2004 mm/Jahr aLMo LM Beob 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 250 150 100 60 20 -20 -60 -100 -150 -250 mm/Jahr aLMo - Beobachtung LM - Beobachtung 06 14

11. 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick S A L – ein neues Fehlermaß für Niederschlagsverifikation • Perspektive: Niederschlag in bestimmten Gebieten (z.B. Flusseinzugsgebiete) 07 14

12. 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick S A L – ein neues Fehlermaß für Niederschlagsverifikation • Perspektive: Niederschlag in bestimmten Gebieten (z.B. Flusseinzugsgebiete) • 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 07 14

13. 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick S A L – ein neues Fehlermaß für Niederschlagsverifikation • Perspektive: Niederschlag in bestimmten Gebieten (z.B. Flusseinzugsgebiete) • 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 Rmax = 7mm Rsw = 1mm • aber: kein direkter Zusammenhang der Objekte in Modell und Beobachtung • erforderlich 07 14

14. 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick SAL - die S-Komponente Skalierung jedes einzelnen Objekts: R* = R / Rmax ; R*  [Rsw/Rmax, …, 1] R R* Rmax 1 Rsw Rsw/Rmax x x V(R*) V(R) Objekt-Draufsicht 08 14

15. 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick Kleine intensive vs. große schwache Objekte R R* Rmax 1 OBS V(R*) x x R R* 1 MOD Rmax V(R*) x x S > 0 A = 0 09 14

16. 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick Intensive vs. schwache Objekte gleicher Größe R R* Rmax 1 OBS V(R*) x x R R* 1 MOD Rmax V(R*) x x S = 0 A < 0 10 14

17. 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick S A L an einem realen Beispiel S, A  [-2,…,0,…,+2] ; L  [0,…,1] Rsw = Rmax(Gebiet)/15 LM Beobachtung ECMWF 11 14

18. 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick S A L an einem realen Beispiel S, A  [-2,…,0,…,+2] ; L  [0,…,1] Rsw = Rmax(Gebiet)/15 LM Beobachtung ECMWF L ≈ 0 A ≈ 0 S = 0.17 L ≈ 0 A = -0.15 S = 0.63 11 14

19. 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick S A L - Statistik Sommer 2001-2004 für Rhein LM ECMWF 2 1 A-Komponente 0 -1 -2 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 S-Komponente S-Komponente 12 14

20. 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick 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 13 14

21. 16 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick Ausblick • Anwendung von SAL auf stündliche Daten: disaggregierter Datensatz • und QNVs verschiedener Modelle (ECMWF 40/25km, LM 7km, LMK 2,8km) • weitere Tests und eventuelle Verbesserungen/Modifikationen für SAL • Untersuchungen zu Differenzen zwischen LM und aLMo 2. Projektphase - ab Mitte/Ende 2007: • 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

22. Institut für Physik der Atmosphäre – Universität Mainz, Deutschland Verifikation der hoch aufgelösten QNVs für Deutschland Projekt: VERIPREG 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 23.Oktober 2006 Diese Arbeit ist ein Teil des SPP 1167 – Quantitative Niederschlagsvorhersage (QNV) und wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

23. 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick RMSE-Vergleich: LM vs. ECMWF Sommer 2002, RMSE für Tagessummen Niederschlag mm/Tag 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 7.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 optimal LM ~12mm/Tag ECMWF ~7mm/Tag add

24. 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick S-Komponente: Sensitivität auf Objektstruktur R* 1 OBS x V(R*) R* R* 1 1 MOD x V(R*) x V(R*) S > 0 S < 0 add

25. 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick 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 Gebiet L [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 Gebiet S  [-2, …, 0, …, +2] mittlerer skalierter Struktur-Fehler im betrachteten Gebiet add

26. 23.Oktober 2006 Marcus Paulat Christoph Frei Martin Hagen Heini Wernli Verifikation von hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersagen für Deutschland S A L Datensatz Jahresniederschlag Zusammenfassung Ausblick Verifikation des Tagesgangs im Niederschlag • Vergleich der Datensätze aus stündlichen Messungen, Disaggregierung und LM • Sommermonate 2001-2003: Niederschlagsmenge 40 35 disaggr. Daten stündl. Mess. 30 Niederschlagsmenge [mm/(Gitterpunkt bzw.Station)] LM 25 20 15 00 03 06 09 12 15 18 21 Uhrzeit [UTC] add