Evaluation of surface sensible weather forecasts by an atmospheric mesoscale model over the...

18
Πέτρος Κατσαφάδος, Αναστάσιος Παπαδόπουλος και Ηλίας Μαυροματίδης [email protected] Μάϊος 2012 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΠΡΟΓΝΩΣΕΩΝ ΕΝΟΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΜΕΣΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΛΕΚΑΝΗ ΤΗΣ ΜΕΣΟΓΕΙΟΥ HAROKOPIO UNIVERSITY OF ATHENS DEPARTMENT OF GEOGRAPHY ATMOSPHERE AND CLIMATE DYNAMICS GROUP (ACDG) http://meteoclima.gr

Transcript of Evaluation of surface sensible weather forecasts by an atmospheric mesoscale model over the...

Page 1: Evaluation of surface sensible weather forecasts by an atmospheric mesoscale model over the Mediterranean basin. Katsafados P.

Πέτρος Κατσαφάδος, Αναστάσιος Παπαδόπουλος και Ηλίας Μαυροματίδης

[email protected]

Μάϊος 2012

ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΠΡΟΓΝΩΣΕΩΝ ΕΝΟΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΜΕΣΗΣ

ΚΛΙΜΑΚΑΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΛΕΚΑΝΗ ΤΗΣ ΜΕΣΟΓΕΙΟΥ

HAROKOPIO UNIVERSITY OF ATHENSDEPARTMENT OF GEOGRAPHYATMOSPHERE AND CLIMATE DYNAMICS GROUP (ACDG)

http://meteoclima.gr

Page 2: Evaluation of surface sensible weather forecasts by an atmospheric mesoscale model over the Mediterranean basin. Katsafados P.

Εισαγωγή

Η Ομάδα Δυναμικής της Ατμόσφαιρας και του Κλίματος (ΟΔΑΚ) του Χαροκόπειου Πανεπιστημίου Αθηνών (ΧΠΑ) ακολουθώντας τη σύγχρονη τάση ανάπτυξης δυναμικών προσομοιώσεων σε υπερ-υπολογιστικά συστήματα έχει εγκαταστήσει και προσαρμόσει το μη υδροστατικό μοντέλο WRF με τον δυναμικό πυρήνα NMM στις υπολογιστικές εγκαταστάσεις του Τμήματος Γεωγραφίας

Η επιχειρησιακή του λειτουργία σε καθημερινή βάση ξεκίνησε τον Ιανουάριο του 2009 μετά από εκτεταμένη περίοδο δοκιμών και αρχικών αξιολογήσεων των προγνώσεων

Μετά από 3 έτη συνεχούς επιχειρησιακής λειτουργίας σε καθημερινή βάση έχει δημιουργηθεί σημαντική βάση μετεωρολογικών πλεγματικών δεδομένων που υπερβαίνει τα 5 TB καθιστώντας απαραίτητη την διαδικασία συστηματικής αξιολόγησης του μοντέλου

ATMOSPHERE AND CLIMATE DYNAMICS GROUP-2012

Page 3: Evaluation of surface sensible weather forecasts by an atmospheric mesoscale model over the Mediterranean basin. Katsafados P.

Στόχευση μελέτης

Η συγκεκριμένη εργασία αποσκοπεί στην στατιστική αξιολόγηση των προγνώσεων με βάση τις παρατηρήσεις από μετεωρολογικούς σταθμούς επιφανείας ανομοιογενώς χωρικά κατανεμημένους στο πεδίο ολοκλήρωσης

Η αξιολόγηση της προγνωστικής ικανότητας του μοντέλου πραγματοποιήθηκε συγκρίνοντας μία προς μία τις μετρήσεις 935 (WMO/ECMWF)

Τα προγνωστικά πεδία που αξιολογήθηκαν ήταν:Η θερμοκρασία του αέρα στα 2 μέτραΗ ταχύτητα του αέρα στα 10 μέτραΗ αθροιστική βροχόπτωση 6ώρου

Περίοδος αξιολόγησης 2 έτη (2009-2010)

ATMOSPHERE AND CLIMATE DYNAMICS GROUP-2012

Page 4: Evaluation of surface sensible weather forecasts by an atmospheric mesoscale model over the Mediterranean basin. Katsafados P.

Χαρακτηριστικά του μοντέλουHorizontal resolution (# grid points) 0.09°x0.09° (305x273)

Vertical resolution 38 sigma-pressure levels

Initial & Boundary conditions GFS-NCEP (0.5°x0.5°) 3-h update

Microphysical scheme Ferrier (Ferrier et al., 2002)

Cumulus scheme Betts-Miller-Janjic (Janjic et al., 2001)

Surface layer scheme Monin-Obukhov-Janjic scheme (Janjic, 1996)

Land-surface model 4-layers NOAH (Chen and Dudhia, 2001)

Planetary boundary layer scheme Mellor-Yamada-Janjic Level 2.5 (Janjic, 1996)

Radiation scheme (long-shortwave) GFDL (Schwarzkopf and Fels, 1991)

ATMOSPHERE AND CLIMATE DYNAMICS GROUP-2012

Page 5: Evaluation of surface sensible weather forecasts by an atmospheric mesoscale model over the Mediterranean basin. Katsafados P.

Σημειακή σύγκριση προγνωστικών τιμών του μοντέλου με παρατηρήσεις

Karl et al., 1989

Συνεχείς μεταβλητές: ταχύτητα ανέμου στα 10m, θερμοκρασία στα 2 m

Στατιστικά μεγέθη: μέσο προγνωστικό σφάλμα (bias), τετραγωνική ρίζα μέσου τετραγωνικού σφάλματος (RMSE)

F: προγνωστική τιμήO: τιμή παρατήρησηςN: πληθυσμόςBias<0 →υποεκτίμησηRMSE ∈[0,∞)

Στατιστικά μεγέθη(Papadopoulos & Katsafados, 2009)

Συνεχείς μεταβλητές

Αξιολόγηση συνεχών μεταβλητών

ATMOSPHERE AND CLIMATE DYNAMICS GROUP-2012

Page 6: Evaluation of surface sensible weather forecasts by an atmospheric mesoscale model over the Mediterranean basin. Katsafados P.

Η αξιολόγηση διακριτών μετεωρολογικών μεταβλητών βασίζεται στη δημιουργία πίνακα ενδεχομένων, διαστάσεων 2x2, που περιλαμβάνει το σύνολο των πιθανών συνδυασμών πρόγνωσης και παρατήρησης (Wilks, 1995)

Στατιστικά μεγέθημέσο προγνωστικό σφάλμα (Β)βαθμός έγκαιρης προειδοποίησης

equitable threat score (ETS)7 κατώφλια ύψους υετού 0.5, 2.0, 4.0, 6.0, 10.0, 16.0, 24.0

B<1 (υποεκτίμηση)

ETS ∈[-1,+1]

Στατιστικά μεγέθη(Papadopoulos & Katsafados, 2009)

Διακριτές μεταβλητές

Αξιολόγηση υετού

ATMOSPHERE AND CLIMATE DYNAMICS GROUP-2012

dcba

cabaar +++

+⋅+= )()(

Observed

Yes No

For

ecas

t Yes a b a+b

No c d c+d

a+c b+d n=a+b+c+d

Page 7: Evaluation of surface sensible weather forecasts by an atmospheric mesoscale model over the Mediterranean basin. Katsafados P.

Στατιστική ανάλυση θερμοκρασίας στα 2m

Σταθερό σφάλμα RMS (~2.7°C) για το σύνολο της προγνωστικής περιόδου

+0.5°C συστηματικό σφάλμα τις πρωινές ώρες -0.7°C τις νυχτερινές ώρες (ψυχρότερη η πρόγνωση)

ATMOSPHERE AND CLIMATE DYNAMICS GROUP-2012

Page 8: Evaluation of surface sensible weather forecasts by an atmospheric mesoscale model over the Mediterranean basin. Katsafados P.

Ανάλυση μέγιστης-ελάχιστης θερμοκρασίας

Τα θηκογράμματα αποτυπώνουν

τον διάμεσο (μεσαία γραμμή) και

τα 25ο και 75ο εκατοστημόρια των

RMSE και Bias Οι ελάχιστες θερμοκρασίες

παρουσιάζουν αρνητικό

συστηματικό σφάλμα με

σημαντική διακύμανση ~±1°Cαπό τον διάμεσο Μη συστηματική

υπερ-υποεκτίμηση για τις

μέγιστες θερμοκρασίες

ATMOSPHERE AND CLIMATE DYNAMICS GROUP-2012

Page 9: Evaluation of surface sensible weather forecasts by an atmospheric mesoscale model over the Mediterranean basin. Katsafados P.

Εποχιακή διακύμανση του θερμοκρασιακού σφάλματος RMSE ανεξάρτητο της εποχής και μέγιστης-ελάχιστης

θερμοκρασίας (~2.7°C) Αρνητικό συστηματικό σφάλμα έως -1°C, των ελάχιστων και

μέγιστων θερμοκρασιών τις μεταβατικές και θερινές εποχές Θερμότερες προγνωστικές μέγιστες θερμοκρασίες μέχρι +0.5°C

τους χειμερινούς μήνες

ATMOSPHERE AND CLIMATE DYNAMICS GROUP-2012

Page 10: Evaluation of surface sensible weather forecasts by an atmospheric mesoscale model over the Mediterranean basin. Katsafados P.

Γεωγραφική κατανομή του προγνωστικού σφάλματος της θερμοκρασίας στα 2 m Αρνητικό σφάλμα (bias<=-2°C) στους ορεινούς σταθμούς και

στη Βόρεια Αφρική Θερμότερη εκτίμηση της θερμοκρασίας (1°C<bias<=2°C) στην

Βαλκανική και στους παράκτιους σταθμούς της Πορτογαλίας και του Μαρόκο

ATMOSPHERE AND CLIMATE DYNAMICS GROUP-2012

Page 11: Evaluation of surface sensible weather forecasts by an atmospheric mesoscale model over the Mediterranean basin. Katsafados P.

Συνάρτηση του θερμοκρασιακού σφάλματος με το υψόμετρο Συστηματικό αρνητικό σφάλμα των ελάχιστων θερμοκρασιών

(-0.5°C) Ψυχρότερες μέγιστες θερμοκρασίες έως -0.6°C για υψόμετρα

που υπερβαίνουν τα 750 μέτρα

ATMOSPHERE AND CLIMATE DYNAMICS GROUP-2012

Page 12: Evaluation of surface sensible weather forecasts by an atmospheric mesoscale model over the Mediterranean basin. Katsafados P.

Συστηματική υπερεκτίμηση έως 1.5 ms-1 κατά τις βραδινές ώρες RMSE σχεδόν σταθερή (2.5-3 ms-1) για το σύνολο της

προγνωστικής περιόδου

Στατιστική ανάλυση της ταχύτητας του ανέμου στα 10 m

ATMOSPHERE AND CLIMATE DYNAMICS GROUP-2012

Page 13: Evaluation of surface sensible weather forecasts by an atmospheric mesoscale model over the Mediterranean basin. Katsafados P.

Η μεγαλύτερη συνεισφορά στην υπερεκτίμηση του ανέμου αποτυπώνεται το φθινόπωρο και το χειμώνα

Εποχιακή μεταβλητότητα του σφάλματος της ταχύτητας του ανέμου

ATMOSPHERE AND CLIMATE DYNAMICS GROUP-2012

Page 14: Evaluation of surface sensible weather forecasts by an atmospheric mesoscale model over the Mediterranean basin. Katsafados P.

bias >= 2 ms-1 για τους περισσότερους σταθμούς του πεδίου ολοκλήρωσης

Οι σταθμοί σε χαμηλά και μεσαία ύψη συνεισφέρουν περισσότερο στην υπερεκτίμηση του ανέμου

Χωρική ανάλυση του σφάλματος της ταχύτητας του ανέμου

ATMOSPHERE AND CLIMATE DYNAMICS GROUP-2012

Page 15: Evaluation of surface sensible weather forecasts by an atmospheric mesoscale model over the Mediterranean basin. Katsafados P.

Υπερεκτίμηση χαμηλών και

μεσαίων (0.5-4 mm) υψών

και υποεκτίμηση

μεσαίων-υψηλών κατωφλίων

(6-24 mm)

Το ETS εμφανίζει συνεχή

μείωση με τα ύψη

βροχόπτωσης

Στατιστική ανάλυση της 6ωρης αθροιστικής βροχόπτωσης

ATMOSPHERE AND CLIMATE DYNAMICS GROUP-2012

Page 16: Evaluation of surface sensible weather forecasts by an atmospheric mesoscale model over the Mediterranean basin. Katsafados P.

Σημαντική υποεκτίμηση των

μεσαίων και μεγάλων

κατωφλίων βροχόπτωσης για

τις πρώτες 6 ώρες (spin up) Αύξηση της υπερεκτίμησης

στα μικρά ύψη υετού (< 6 mm)

με τον προγνωστικό χρόνο

Ημερήσια κύμανση του στατιστικού σφάλματος της βροχόπτωσης

ATMOSPHERE AND CLIMATE DYNAMICS GROUP-2012

0-24

24-4848-72

Page 17: Evaluation of surface sensible weather forecasts by an atmospheric mesoscale model over the Mediterranean basin. Katsafados P.

Η διετής (2009-2010) αξιολόγηση του μοντέλου WRF κατέδειξε μέσο προγνωστικό σφάλμα της θερμοκρασίας 2.7°C και συστηματική υπερεκτίμηση του ανέμου 2.5-3 m s-1

Υποεκτίμηση μέγιστων-ελάχιστων θερμοκρασιών τη θερμή περίοδο του έτους φαίνεται να προέρχεται από το σχήμα ακτινοβολίας και την ανάλυση των επιφανειακών ροών ενέργειας

Οι ελάχιστες θερμοκρασίες υποεκτιμούνται σε υψόμετρα μέχρι 250 m γεγονός που μπορεί να αποδοθεί στην ανεπαρκή αναπαράσταση της κατανομής ξηράς-θάλασσας και των φυσιογραφικών χαρακτηριστικών του πεδίου ολοκλήρωσης κυρίως για τους παράκτιους σταθμούς

Η ένταση του ανέμου υπερεκτιμάται συστηματικά και προέρχεται από την εφαρμογή του σχήματος παραμετροποίησης του οριακού στρώματος Mellor-Yamada-Janjic (Cliff Mass, προσωπική επικοινωνία)

Συζήτηση-Συμπεράσματα

ATMOSPHERE AND CLIMATE DYNAMICS GROUP-2012

Page 18: Evaluation of surface sensible weather forecasts by an atmospheric mesoscale model over the Mediterranean basin. Katsafados P.

Η συστηματική υπερεκτίμηση των χαμηλών κατωφλίων υετού φαίνεται να προέρχεται από το spin up του μοντέλου [0-6 ώρες], ενώ τα σχήματα μικροφυσικής του μοντέλου αποκρίνονται επαρκώς στα μεσαία και μεγάλα ύψη βροχής

Η μέγιστη υπερεκτίμηση των χαμηλών υψών εντοπίζεται τις μεσημβρινές ώρες και πιθανώς να σχετίζεται με την προσομοίωση συστημάτων κατακόρυφης ανάπτυξης (convection)

Συζήτηση-Συμπεράσματα

ATMOSPHERE AND CLIMATE DYNAMICS GROUP-2012

• Αξιολόγηση για το 2011• Από 1/1/2012 εσωτερικό

πλέγμα με διακριτοποίηση 0.03⁰x0.03⁰ (~3.6km)

• Η υψηλότερη ανάλυση που παρέχεται ελεύθερα σε επιχειρησιακή βάση για τον ελλαδικό χώρο

http://meteoclima.gr