Authors:	Paulat, Marcus
Title:	Verifikation der Niederschlagsvorhersage für Deutschland von 2001 - 2004
Online publication date:	14-Jan-2008
Year of first publication:	2008
Language:	german
Abstract:	Die Verifikation numerischer Modelle ist für die Verbesserung der Quantitativen Niederschlagsvorhersage (QNV) unverzichtbar. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von neuen Methoden zur Verifikation der Niederschlagsvorhersagen aus dem regionalen Modell der MeteoSchweiz (COSMO-aLMo) und des Globalmodells des Europäischen Zentrums für Mittelfristvorhersage (engl.: ECMWF). Zu diesem Zweck wurde ein neuartiger Beobachtungsdatensatz für Deutschland mit stündlicher Auflösung erzeugt und angewandt. Für die Bewertung der Modellvorhersagen wurde das neue Qualitätsmaß „SAL“ entwickelt. Der neuartige, zeitlich und räumlich hoch-aufgelöste Beobachtungsdatensatz für Deutschland wird mit der während MAP (engl.: Mesoscale Alpine Program) entwickelten Disaggregierungsmethode erstellt. Die Idee dabei ist, die zeitlich hohe Auflösung der Radardaten (stündlich) mit der Genauigkeit der Niederschlagsmenge aus Stationsmessungen (im Rahmen der Messfehler) zu kombinieren. Dieser disaggregierte Datensatz bietet neue Möglichkeiten für die quantitative Verifikation der Niederschlagsvorhersage. Erstmalig wurde eine flächendeckende Analyse des Tagesgangs des Niederschlags durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass im Winter kein Tagesgang existiert und dies vom COSMO-aLMo gut wiedergegeben wird. Im Sommer dagegen findet sich sowohl im disaggregierten Datensatz als auch im COSMO-aLMo ein deutlicher Tagesgang, wobei der maximale Niederschlag im COSMO-aLMo zu früh zwischen 11-14 UTC im Vergleich zu 15-20 UTC in den Beobachtungen einsetzt und deutlich um das 1.5-fache überschätzt wird. Ein neues Qualitätsmaß wurde entwickelt, da herkömmliche, gitterpunkt-basierte Fehlermaße nicht mehr der Modellentwicklung Rechnung tragen. SAL besteht aus drei unabhängigen Komponenten und basiert auf der Identifikation von Niederschlagsobjekten (schwellwertabhängig) innerhalb eines Gebietes (z.B. eines Flusseinzugsgebietes). Berechnet werden Unterschiede der Niederschlagsfelder zwischen Modell und Beobachtungen hinsichtlich Struktur (S), Amplitude (A) und Ort (L) im Gebiet. SAL wurde anhand idealisierter und realer Beispiele ausführlich getestet. SAL erkennt und bestätigt bekannte Modelldefizite wie das Tagesgang-Problem oder die Simulation zu vieler relativ schwacher Niederschlagsereignisse. Es bietet zusätzlichen Einblick in die Charakteristiken der Fehler, z.B. ob es sich mehr um Fehler in der Amplitude, der Verschiebung eines Niederschlagsfeldes oder der Struktur (z.B. stratiform oder kleinskalig konvektiv) handelt. Mit SAL wurden Tages- und Stundensummen des COSMO-aLMo und des ECMWF-Modells verifiziert. SAL zeigt im statistischen Sinne speziell für stärkere (und damit für die Gesellschaft relevante Niederschlagsereignisse) eine im Vergleich zu schwachen Niederschlägen gute Qualität der Vorhersagen des COSMO-aLMo. Im Vergleich der beiden Modelle konnte gezeigt werden, dass im Globalmodell flächigere Niederschläge und damit größere Objekte vorhergesagt werden. Das COSMO-aLMo zeigt deutlich realistischere Niederschlagsstrukturen. Diese Tatsache ist aufgrund der Auflösung der Modelle nicht überraschend, konnte allerdings nicht mit herkömmlichen Fehlermaßen gezeigt werden. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methoden sind sehr nützlich für die Verifikation der QNV zeitlich und räumlich hoch-aufgelöster Modelle. Die Verwendung des disaggregierten Datensatzes aus Beobachtungen sowie SAL als Qualitätsmaß liefern neue Einblicke in die QNV und lassen angemessenere Aussagen über die Qualität von Niederschlagsvorhersagen zu. Zukünftige Anwendungsmöglichkeiten für SAL gibt es hinsichtlich der Verifikation der neuen Generation von numerischen Wettervorhersagemodellen, die den Lebenszyklus hochreichender konvektiver Zellen explizit simulieren. The verification of precipitation forecasts from numerical weather prediction models is essential for the future improvement of quantitative precipitation forecasts (QPF). The goal of this study is the development of new methods for the verification of precipitation forecasts and their application to the regional model of MeteoSwiss (COSMO-aLMo) and the global model of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF). To this end, a new observational dataset with 1-hour temporal resolution has been produced for Germany, and the novel quality measure “SAL” for QPF validation has been developed and applied. The observational dataset with high temporal and spatial resolution is based upon a disaggregation technique developed earlier within the Mesoscale Alpine Program. The idea is to combine the high temporal resolution from radar data (hourly) and the fairly high precision with respect to the amount of precipitation from rain gauge measurements (within the range of measurement errors). This dataset offers several new possibilities for QPF verification. For the first time, an area-wide investigation of the diurnal cycle of precipitation could be performed. It is shown that during winter, when there is no diurnal cycle in precipitation, COSMO-aLMo performes very well. However, during summer the diurnal cycle of precipitation of COSMO-aLMo and the disaggregated dataset differ substantially. In the model, maximum precipitation typically occurs too early at 11-14 UTC compared to 15-20 UTC in the observations and is distinctly overestimated by a factor of 1.5. A novel quality measure SAL has been developed to address some of the shortcomings of gridpoint-based methods for the verification of the new generation of high-resolution numerical weather prediction models. SAL is based on the identification of precipitation objects (threshold dependent) within a catchment and calculates differences between model and observations with respect to the structure (S), amplitude (A) and location (L) of precipitation in the catchment. SAL has been tested with synthetic and real examples. On the one hand SAL can identify the model deficiencies that were found with standard error measures (e.g. associated with the diurnal cycle and the simulation of too many weak precipitation events). On the other hand SAL offers additional insight into a models QPF performance and highlights model qualities and deficiencies that are particularly relevant for the prediction of intense small-scale events. Verification with SAL is done for daily and hourly QPFs from the regional model COSMO-aLMo and the coarser-scale global ECMWF-model. For COSMO-aLMo, SAL shows that the QPF quality of intense events is better than for weak events, which is a positive model characteristic with respect to social implications of QPF. The comparison of the two models shows that the global ECMWF-model often simulates too widespread precipitation. This is not surprising given the coarser horizontal resolution of the model. However, unlike standard error measures, SAL is able to identify this shortcoming, also in a statistical sense. The methods developed in this study are very useful for the verification of QPFs with high temporal and spatial resolution. The use of the disaggregated observational dataset and of the quality measure SAL leads to new insights into the quality of QPFs and offers relevant future applications, in particular for the verification of the new generation of numerical weather prediction models, which explicitly simulate the life-cycle of deep convection cells.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4001
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-15275
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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