Verifikation der Niederschlagsvorhersage für Deutschland von 2001 - 2004

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.

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.

Climate change in Libya and desertification of Jifara Plain

The study was arranged to manifest its objectives through preceding it with an intro-duction. Particular attention was paid in the second part to detect the physical settings of the study area, together with an attempt to show the climatic characteristics in Libya. In the third part, observed temporal and spatial climate change in Libya was investigated through the trends of temperature, precipitation, relative humidity and cloud amount over the peri-ods (1946-2000), (1946-1975), and (1976-2000), comparing the results with the global scales. The forth part detected the natural and human causes of climate change concentrat-ing on the greenhouse effect. The potential impacts of climate change on Libya were ex-amined in the fifth chapter. As a case study, desertification of Jifara Plain was studied in the sixth part. In the seventh chapter, projections and mitigations of climate change and desertification were discussed. Ultimately, the main results and recommendations of the study were summarized. In order to carry through the objectives outlined above, the following methods and approaches were used: a simple linear regression analysis was computed to detect the trends of climatic parameters over time; a trend test based on a trend-to-noise-ratio was applied for detecting linear or non-linear trends; the non-parametric Mann-Kendall test for trend was used to reveal the behavior of the trends and their significance; PCA was applied to construct the all-Libya climatic parameters trends; aridity index after Walter-Lieth was shown for computing humid respectively arid months in Libya; correlation coefficient, (after Pearson) for detecting the teleconnection between sun spot numbers, NAOI, SOI, GHGs, and global warming, climate changes in Libya; aridity index, after De Martonne, to elaborate the trends of aridity in Jifara Plain; Geographical Information System and Re-mote Sensing techniques were applied to clarify the illustrations and to monitor desertifi-cation of Jifara Plain using the available satellite images MSS, TM, ETM+ and Shuttle Radar Topography Mission (SRTM). The results are explained by 88 tables, 96 figures and 10 photos. Temporal and spatial temperature changes in Libya indicated remarkably different an-nual and seasonal trends over the long observation period 1946-2000 and the short obser-vation periods 1946-1975 and 1976-2000. Trends of mean annual temperature were posi-tive at all study stations except at one from 1946-2000, negative trends prevailed at most stations from 1946-1975, while strongly positive trends were computed at all study stations from 1976-2000 corresponding with the global warming trend. Positive trends of mean minimum temperatures were observed at all reference stations from 1946-2000 and 1976-2000, while negative trends prevailed at most stations over the period 1946-1975. For mean maximum temperature, positive trends were shown from 1946-2000 and from 1976-2000 at most stations, while most trends were negative from 1946-1975. Minimum tem-peratures increased at nearly more than twice the rate of maximum temperatures at most stations. In respect of seasonal temperature, warming mostly occurred in summer and au-tumn in contrast to the global observations identifying warming mostly in winter and spring in both study periods. Precipitation across Libya is characterized by scanty and sporadically totals, as well as high intensities and very high spatial and temporal variabilities. From 1946-2000, large inter-annual and intra-annual variabilities were observed. Positive trends of annual precipi-tation totals have been observed from 1946-2000, negative trends from 1976-2000 at most stations. Variabilities of seasonal precipitation over Libya are more strikingly experienced from 1976-2000 than from 1951-1975 indicating a growing magnitude of climate change in more recent times. Negative trends of mean annual relative humidity were computed at eight stations, while positive trends prevailed at seven stations from 1946-2000. For the short observation period 1976-2000, positive trends were computed at most stations. Annual cloud amount totals decreased at most study stations in Libya over both long and short periods. Re-markably large spatial variations of climate changes were observed from north to south over Libya. Causes of climate change were discussed showing high correlation between tempera-ture increasing over Libya and CO2 emissions; weakly positive correlation between pre-cipitation and North Atlantic Oscillation index; negative correlation between temperature and sunspot numbers; negative correlation between precipitation over Libya and Southern Oscillation Index. The years 1992 and 1993 were shown as the coldest in the 1990s result-ing from the eruption of Mount Pinatubo, 1991. Libya is affected by climate change in many ways, in particular, crop production and food security, water resources, human health, population settlement and biodiversity. But the effects of climate change depend on its magnitude and the rate with which it occurs. Jifara Plain, located in northwestern Libya, has been seriously exposed to desertifica-tion as a result of climate change, landforms, overgrazing, over-cultivation and population growth. Soils have been degraded, vegetation cover disappeared and the groundwater wells were getting dry in many parts. The effect of desertification on Jifara Plain appears through reducing soil fertility and crop productivity, leading to long-term declines in agri-cultural yields, livestock yields, plant standing biomass, and plant biodiversity. Desertifi-cation has also significant implications on livestock industry and the national economy. Desertification accelerates migration from rural and nomadic areas to urban areas as the land cannot support the original inhabitants. In the absence of major shifts in policy, economic growth, energy prices, and con-sumer trends, climate change in Libya and desertification of Jifara Plain are expected to continue in the future. Libya cooperated with United Nations and other international organizations. It has signed and ratified a number of international and regional agreements which effectively established a policy framework for actions to mitigate climate change and combat deserti-fication. Libya has implemented several laws and legislative acts, with a number of ancil-lary and supplementary rules to regulate. Despite the current efforts and ongoing projects being undertaken in Libya in the field of climate change and desertification, urgent actions and projects are needed to mitigate climate change and combat desertification in the near future.