Merkmalsbezogene Verifikation hochaufgelöster Niederschlagsvorhersagen für Deutschland

Die Verifikation bewertet die Güte von quantitativen Niederschlagsvorhersagen(QNV) gegenüber Beobachtungen und liefert Hinweise auf systematische Modellfehler. Mit Hilfe der merkmals-bezogenen Technik SAL werden simulierte Niederschlagsverteilungen hinsichtlich (S)truktur, (A)mplitude und (L)ocation analysiert. Seit einigen Jahren werden numerische Wettervorhersagemodelle benutzt, mit Gitterpunktabständen, die es erlauben, hochreichende Konvektion ohne Parametrisierung zu simulieren. Es stellt sich jetzt die Frage, ob diese Modelle bessere Vorhersagen liefern. Der hoch aufgelöste stündliche Beobachtungsdatensatz, der in dieser Arbeit verwendet wird, ist eine Kombination von Radar- und Stationsmessungen. Zum einem wird damit am Beispiel der deutschen COSMO-Modelle gezeigt, dass die Modelle der neuesten Generation eine bessere Simulation des mittleren Tagesgangs aufweisen, wenn auch mit zu geringen Maximum und etwas zu spätem Auftreten. Im Gegensatz dazu liefern die Modelle der alten Generation ein zu starkes Maximum, welches erheblich zu früh auftritt. Zum anderen wird mit dem neuartigen Modell eine bessere Simulation der räumlichen Verteilung des Niederschlags, durch eine deutliche Minimierung der Luv-/Lee Proble-matik, erreicht. Um diese subjektiven Bewertungen zu quantifizieren, wurden tägliche QNVs von vier Modellen für Deutschland in einem Achtjahreszeitraum durch SAL sowie klassischen Maßen untersucht. Die höher aufgelösten Modelle simulieren realistischere Niederschlagsverteilungen(besser in S), aber bei den anderen Komponenten tritt kaum ein Unterschied auf. Ein weiterer Aspekt ist, dass das Modell mit der gröbsten Auf-lösung(ECMWF) durch den RMSE deutlich am besten bewertet wird. Darin zeigt sich das Problem des ‚Double Penalty’. Die Zusammenfassung der drei Komponenten von SAL liefert das Resultat, dass vor allem im Sommer das am feinsten aufgelöste Modell (COSMO-DE) am besten abschneidet. Hauptsächlich kommt das durch eine realistischere Struktur zustande, so dass SAL hilfreiche Informationen liefert und die subjektive Bewertung bestätigt. rnIm Jahr 2007 fanden die Projekte COPS und MAP D-PHASE statt und boten die Möglich-keit, 19 Modelle aus drei Modellkategorien hinsichtlich ihrer Vorhersageleistung in Südwestdeutschland für Akkumulationszeiträume von 6 und 12 Stunden miteinander zu vergleichen. Als Ergebnisse besonders hervorzuheben sind, dass (i) je kleiner der Gitter-punktabstand der Modelle ist, desto realistischer sind die simulierten Niederschlags-verteilungen; (ii) bei der Niederschlagsmenge wird in den hoch aufgelösten Modellen weniger Niederschlag, d.h. meist zu wenig, simuliert und (iii) die Ortskomponente wird von allen Modellen am schlechtesten simuliert. Die Analyse der Vorhersageleistung dieser Modelltypen für konvektive Situationen zeigt deutliche Unterschiede. Bei Hochdrucklagen sind die Modelle ohne Konvektionsparametrisierung nicht in der Lage diese zu simulieren, wohingegen die Modelle mit Konvektionsparametrisierung die richtige Menge, aber zu flächige Strukturen realisieren. Für konvektive Ereignisse im Zusammenhang mit Fronten sind beide Modelltypen in der Lage die Niederschlagsverteilung zu simulieren, wobei die hoch aufgelösten Modelle realistischere Felder liefern. Diese wetterlagenbezogene Unter-suchung wird noch systematischer unter Verwendung der konvektiven Zeitskala durchge-führt. Eine erstmalig für Deutschland erstellte Klimatologie zeigt einen einer Potenzfunktion folgenden Abfall der Häufigkeit dieser Zeitskala zu größeren Werten hin auf. Die SAL Ergebnisse sind für beide Bereiche dramatisch unterschiedlich. Für kleine Werte der konvektiven Zeitskala sind sie gut, dagegen werden bei großen Werten die Struktur sowie die Amplitude deutlich überschätzt. rnFür zeitlich sehr hoch aufgelöste Niederschlagsvorhersagen gewinnt der Einfluss der zeitlichen Fehler immer mehr an Bedeutung. Durch die Optimierung/Minimierung der L Komponente von SAL innerhalb eines Zeitfensters(+/-3h) mit dem Beobachtungszeit-punkt im Zentrum ist es möglich diese zu bestimmen. Es wird gezeigt, dass bei optimalem Zeitversatz die Struktur und Amplitude der QNVs für das COSMO-DE besser werden und damit die grundsätzliche Fähigkeit des Modells die Niederschlagsverteilung realistischer zu simulieren, besser gezeigt werden kann.

The verification assesses the goodness of quantitative precipitation forecasts (QPF) compared with observations and delivers hints to systematic model mistakes.With the help of the sign-related technology SAL simulated precipitation distributions are analysed concerning (S)tructure, (A)mplitude and (L)ocation. For some years numerical weather prediction models are used, with grid point distances which allow simulating deep convection without parameterization. Now it puts to itself the question whether these models deliver better predictions.rnThe highly resolved hourly observation data set, which is used in this work, combines radar and rain gauge measurements. On the one hand it is shown with the example of the German COSMO models that the models of the newest generation show a better simulation of the mean diurnal cycle, even if with too low maximum and something to late appearance. By contrast the models of the old generation deliver a too strong maximum which appears as too early considerably. On the other hand a better simulation of the spatial distribution of the precipitation is reached with the new model type, by a clear minimizationrnof the windward/lee problem. To quantify these subjective assessments, daily QPFs were examined by four models for Germany within an eight year time period by SAL as well as classical measures. The models with the higher resolution models simulate more realistic precipitation distributions (better in S), but for the other components no difference appears. Another aspect is that the model with the coarsest grid (ECMWF) is valued by the RMSE clearly as the best of all. Therein appears the ‘Double Penalty’ problem. The summary of the three components of SAL delivers the result that in particular for summer the most finely resolved model (COSMO-DE) takes the best values of all. Primarily it comes about by a more realistic structure, so that SAL delivers helpful information and confirms the subjective assessment.rnIn 2007 the projects COPS and MAP D-PHASE took place and offered the unique Opportunity to compare 19 models from three model categories concerning their forecast performance in South-western Germany for accumulation periods of 6 and 12 hours. When results particularly are to be emphasized that (i) the smaller the grid point distance of the models is, the simulated precipitation distributions are the more realistically; (ii) with the amount of precipitation less precipitation, i.e. mostly not enough, is simulated in the models with higher resolution and (iii) the L component is simulated by all models most badly. The analysis of the prediction achievement of these model types for convective situations shows clear differences. With high-pressure situations the models are to be operated without a parameterization of deep convection not able to simulate this, while the models with a parameterization of deep convection realize the right amount, but too flat rain objects. For convective events in connection with fronts both model types are to be simulated the precipitation distribution but the models with the higher spatial resolution deliver more realistic fields. This weather condition-related investigation becomes even more systematic under the use of the convective timescale approach. A climatology first provided for Germany indicates the distribution closely follows a power law one of a power function to higher values. The results of SAL for a model with parameterization of deep convection are dramatically different for both regimes. For small values of the convective timescale it performs well, but for high timescale values it shows a clearly overestimation with high values for Structure as well as the Amplitude.rnFor temporal very highly resolved precipitation simulations the influence of the temporal errors wins more and more in meaning. By the optimisation/minimisation of the L component of SAL within a time window (±3h) with the observation time is in the centre it is possible to do this. It is shown that with optimum time shift the structure and amplitude of the QPFs become better for the COSMO-DE and with it the basic ability of the model to simulate more realistically the precipitation distribution.