Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Data assimilation in Austria Florian Meier, Xin Yan, Stefan Schneider, Christoph Wittmann, Yong Wang
ZAMG
Assimilation system: ALADIN-Austria parallel run
Coupling with ARPEGE forecasts (3h coupling interval) Forecasts: 00 / 12 UTC +72h, 06/18 UTC +12h; 03 UTC +3h Domain: 300x270 grid points; 9.6 km horizontal resolution; 60 layers cy35t1: 001,927,fullpos cy32t1: BATOR, CANARI, SCREENING, MINIMIZATION, BLEND, BLENDSUR Calculations at ZAMG; NEC SX8 Controlled by kornshell scripts (5 masterscripts + templates) no SMS
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Observations: CANARI: SYNOP+TAWES: T2m, RH2m (ZAMG data base) 3D-Var: SYNOP+TAWES: Φ, T2m , RH2m (ZAMG data base) SHIP: U, V, T, RH, Φ (ZAMG dta base) TEMP: U, V, T, q, Φ (OPLACE)(03UTC ZAMG data base) AIREP: U, V, T (OPLACE)(03UTC ZAMG data base) Windprofiler: U, V (OPLACE) SAT (ATOVS, AMSU-A/B): radiances (OPLACE-obsoul) SAT (GEOWIND): U, V (OPLACE-obsoul) experiments with GPS-data (Xin Yan) and ASCAT/SURFEX soil moisture (Stefan Schneider); no use of BUFR/GRIB data so far
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Scheme of the assimilation cycle at ZAMG (3DVAR+CANARI)
Long cutoff cycle
Zentralanstalt für Meteorologie und ARPEGE Geodynamik
CANARI
ALADINfirst guess
3D-Var
SST
ALADINanalysis
+6h forecast Short cutoff „cycle“ and +72 h forecast
CANARI 3D-Var
ALADIN-
+72h forecast analysis0/6/12/18 UTC
ARPEGE SST
00/12 UTC
Timetable of the assimilation CANARI 3D-Var
Interpolation ARPEGE 927 SST Blendsur BATOR
8p rog nos tic
BLENDSUR
BATOR
OBSOUL format
SCREENING CCMA
fiel ds
CANARI
observations
+72 h
minimization
BLENDSUR interpolation coupling files 927
BLEND hydrometeors
forecast 001/ fullpos
forecast
+6 h
first guess Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Special features
B-Matrix: ensemble method (Berre) 50 days training period (20080222-20080412) Static bias correction (file from HMS) Local SYNOP/TAWES data Additional assimilation step at 03 UTC Data thinning is included in screening Tuning: REDNMC=1.4 Blacklisting of SYNOP in 3D-Var if ORODIF exceeds 700m threshold CANARI: ORODIF=950m, OROLIM=2900m Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Case study: 23rd July 2009 (squall line) 20.00 UTC
precipitation 18.00-21.00 UTC
INCA-Analyse Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Case study: 23rd July 2009 (squall line)
INCA-Analyse
OPER
23rd July 2009 00 UTC run: precipitation 18 UTC - 21 UTC
CANARI
CANARI+3DVAR
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Case study: 23rd July 2009 (squall line)
INCA-Analyse
OPER
23rd July 2009 00 UTC run: precipitation 18 UTC - 24 UTC
ASCAT-SURFEX
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Systematic deviation in snow cover caused by CANARI
NOAA-NESDIS OBS Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Evaluation: weaknesses and strengths Improvement of T2m, RH2m Slight Improvement of precipitation (SAL verification) No overall upper-air improvement More snow due to CANARI T2m bias in winter at low terrain Bias correction -> should be improved few satellite data used; geowind rejected Case studies: squall lines, flooding show differences, but no obvious improvement compared to dynamical downscaling Room for improvement:
Switch to cy36t1: VARBC; more satellite data (in progress) Coupling of CANARI + 3D-Var in series instead of parallel Tuning / B-matrix Switch to higher resolution (5 km)
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Verification over Austria: T2m
June 2010 OPER CANARI+3D-Var
stations below 500m
12 UTC runs
stations above 500m
January 2010
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verification over Austria: RH2m
June 2010 OPER CANARI+3D-Var
stations below 500m
12 UTC runs
stations above 500m
January 2010
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verification over Austria: Windspeed 10m
June 2010 OPER CANARI+3D-Var
stations below 500m
12 UTC runs
stations above 500m
January 2010
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Verification over Austria: mean sea level pressure
June 2010 OPER CANARI+3D-Var
stations below 500m
12 UTC runs January 2010
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Verification over Central Europe: relative humidity
850hPa
500hPa
RMSE
June 2010, 12 UTC runs 500hPa
850hPa
BIAS
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Verification over Central Europe: temperature
850hPa
500hPa
RMSE
June 2010, 12 UTC runs 500hPa
850hPa
BIAS
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verification over Central Europe: wind
850hPa
500hPa
RMSE
June 2010, 12 UTC runs 500hPa
850hPa
BIAS
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
SURFEX
SURFEX (SURFace EXternalisée) Zentralanstalt für Meteorologie und
• assimilation based on Geodynamik the Simplified Extended Kalman Filter (EKF) • version: 4.8 • prognostic variables: wg, w2, Ts, T2 • data to assimilate: soil moisture, T2M, RH2M • data screening: CDF matching, quality flags • 6hourly assimilation cycle every 6 hours
verification I
verification of forecasted 2m-temperature for July 20-30, 2009
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OPER ASSIM
verification II
verification of forecasted 2m-relative humidity for July 20-30, 2009
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
OPER ASSIM
verification III
SAL verification of forecasted precipitation for July 20-30, 2009
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A: 0.46 vs 0.54 S: -0.01 vs 0.08
L: 0.29 vs 0.29
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
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Fallbeispiel: 23. Juli 2009 (Squall Line)
INCA-Analyse CANARI+3DVAR 23. Juli 00 UTC Lauf: Niederschlag 18 UTC - 21 UTC
3DVAR+GPS
SURFEX+ASCAT
Niederschlag 18.00-21.00 UTC Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
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Monitoringsoftware (entwickelt im LACE Konsortium)
Zur Darstellung der aktuellen Assimilationsinkremente
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Monitoringsoftware (entwickelt im LACE Konsortium)
z.B. 2m Temperatur
Beobachtung -“first guess“
Status des Beobachtungssystems
Analyse -“first guess“
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Aktivitäten im letzten Jahr
Einzeltests zu 3D-Var und Bodenassimilation Zusammenschalten von Bodenassimilation und 3D-Var Aufbau eines prä-operationellen Assimilationszyklus Fehlerbereinigung Einbindung von TAWES-Stationsbeobachtungen in die Datenassimilation Ausdünnung der Satelliten- und Flugzeugbeobachtungsdaten Installation der LACE Monitoringsoftware Tuningmaßnahmen Vergleich mit operationellen ALADIN-Modellergebnissen und weiteren Experimenten zur Datenassimilation:
SURFEX/ASCAT GPS-Assimilation
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Fallbeispiel: 23. Juli 2009 (Squall Line) 20.00 UTC
Niederschlag 18.00-21.00 UTC
INCA-Analyse Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Fallbeispiel: 23. Juli 2009 (Squall Line)
INCA-Analyse
OPER
23. Juli 00 UTC Lauf: Niederschlag 18 UTC - 21 UTC
CANARI
CANARI+3DVAR
Niederschlag 18.00-21.00 UTC Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Fallbeispiel: 23. Juli 2009 (Squall Line)
INCA-Analyse CANARI+3DVAR 23. Juli 00 UTC Lauf: Niederschlag 18 UTC - 21 UTC
3DVAR+GPS
SURFEX+ASCAT
Niederschlag 18.00-21.00 UTC Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verifikation 24.1.-8.2.2010 bodennahe Felder
(58 österreichische Stationen) Vorhersagezeit 0-72h
Vorhersagezeit 0-72h
RMSE MAE
BIAS
Rel. Feuchte 2m / %
T2m/°C OPER 3DVAR+CANARI
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Verifikation 24.1.-8.2.2010 bodennahe Felder
Vorhersagezeit
Vorhersagezeit RMSE MAE
BIAS
10m Wind/(m/s)
Bodendruck/hPa OPER 3DVAR+CANARI
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verifikation der Höhenfelder (24.1.-8.2.2010): Temperatur
Bias
RMSE
500hPa
OPER 3DVAR+CANARI
RMSE
700hPa
Bias
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Verifikation der Höhenfelder (24.1.-8.2.2010): rel. Feuchte
500hPa
Bias
RMSE
OPER 3DVAR+CANARI
RMSE
700hPa
Bias
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verifikation der Höhenfelder (24.1.-8.2.2010): Geopotential
RMSE
500hPa
Bias
OPER 3DVAR+CANARI
RMSE
700hPa
Bias
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Zusammenfassung
Bodenassimilation und 3D-Var wurden erfolgreich zusammengeschaltet; Monitoringsoftware wurde installiert Die Zuverlässigkeit des automatischen Assimilationszyklus wurde erhöht (derzeit etwa 1 Ausfall pro 6 Wochen) Verbesserung bei den bodennahen Feldern vor allem beim Bias und in den ersten Vorhersagestunden (+12h) Höhenfelder haben etwa identische Qualität zum operationellen ALADIN-Austria Längere Verifikationszeitreihen nötig
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Ausblick
Verbesserungsbedarf bei Bergstationen, Grenzschichtfeuchte und Bodeninkrementen bei schneebedecktem Boden
Aktualisierung der Modellversion cy32 -> cy36
Einflechtung zusätzlicher Beobachtungsdaten
Tuningmaßnahmen
Erhöhung der Horizontalauflösung auf 5km
Übergang zum operationellen Einsatz
Wechsel zur Koppelung mit ECMWF-Randdaten
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Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Warum Datenassimilation an der ZAMG ?
Globalmodellgitter
Beobachtung ALADIN-Gitter Globale Assimilation
„Downscaling“
Direkte Assimilation In 3D-Var Beobachtung Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Datenassimilationsverfahren:
•
3D-Var: Minimierung einer Kostenfunktion
xa: Analysevektor xb: First Guess-Vektor yo: Beobachtungsvektor
R: Beobachtungsfehlermatrix B: Hintergrundsfehlermatrix H: Transformationsfunktion Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Datenassimilationsverfahren: Bodenassimilation Optimal Interpolation (OI): Interpolation und statistisch optimale Gewichtung der Beobachtungen gegenüber dem „First Guess“
xa: Analysevektor xb: First Guess-Vektor yo: Beobachtungsvektor W: Gewichtungsmatrix
R: Beoobachtungsfehlermatrix B: Hintergrundsfehlermatrix H: Transformationsfunktion
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Bodenfeuchteanalyse: CANARI OI (Mahfouf J. Appl. Meteor. 1991) CANARI: Code for the Analysis Necessary for ARPEGE for its Rejects and its Initialisation Bestimmung der Bodenfeuchte und Bodentemperaturen aus den Modellwerten und dem Unterschied von T2m/RH2m zwischen Modell und Beobachtung T2m/RH2m Ts Tp
Ws Wp Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verifikation 24.1.-8.2.2010 bodennahe Felder
Vorhersagezeit
Vorhersagezeit 0-72h
Rel. Feuchte 2m / %
T2m/°C OPER 3DVAR+CANARI
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Verifikation der Höhenfelder (24.1.-8.2.2010): Wind
RMSE
500hPa
Bias
OPER 3DVAR+CANARI
RMSE
700hPa
Bias
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Negativer Feuchtebias in der Grenzschicht
Rel. Feuchte /%
925hPa
RMSE Bias
925hPa
Temperatur /K Bias
RMSE
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Geopotential und Wind 925 hPa
Geopotential /gpdm
925hPa
RMSE Bias
925hPa
Wind /(m/s) Bias
RMSE
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Schema des Assimilationszyklus an der ZAMG (3DVAR+CANARI Bodenassimilation) Zyklus mit langem Kontrollschluss
Zyklus mit kurzem Kontrollschluss Und 72 hVorhersage
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0/6/12/18 UTC
00/12 UTC
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Niederschlag / 3h bis Termin
ALADIN-Austria 00 Uhr Lauf
ALADIN-Austria+ ASSIM.
INCA 18.00 UTC
Analyse
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Niederschlag / 3h bis Termin
ALADIN-Austria 00 Uhr Lauf
ALADIN-Austria+ ASSIM.
INCA 19.00 UTC
Analyse
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Niederschlag / 3h bis Termin
ALADIN-Austria 00 Uhr Lauf
ALADIN-Austria+ ASSIM.
INCA 20.00 UTC
Analyse
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Niederschlag / 3h bis Termin
ALADIN-Austria 00 Uhr Lauf
ALADIN-Austria+ ASSIM.
INCA 21.00 UTC
Analyse
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Niederschlag / 3h bis Termin
ALADIN-Austria 00 Uhr Lauf
ALADIN-Austria+ ASSIM.
INCA 22.00 UTC
Analyse
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Niederschlag / 3h bis Termin
ALADIN-Austria 00 Uhr Lauf
ALADIN-Austria+ ASSIM.
INCA 23.00 UTC
Analyse
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2m Temperatur 32 28 24 20 16 12 8 4 2
OPER
6 4 2 0 -2 -4 -6
OPER-ALADIN mit Assim. 23. Juli 2009 0.00 UTC +1h
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
2m Temperatur 37 33 29 25 21 17 13 9 7
OPER
OPER-ALADIN mit Assim. 23. Juli 2009 0.00 UTC +18 h
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2m Temperatur
(Pistotnik 2009) INCA Analyse 18.00 UTC
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RMS in hPA
Nutzen der Datenassimilation
ECMWF Saisonalmittel Bodenluftdruckvorhersage Für die Nordhemisphäre Winter DJF 1985-2004
Größere Änderungen am Datenassimilationssystem
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Ablaufplan der Datenassimilation CANARI 3D-Var
Interpolation ARPEGE Beobachtungen
SST Blending
BATOR
OBSOUL FORMAT (ASCII)
BATOR
SCREENING
CANARI
CCMA
BLENDING
Minimization
BLENDING Interpolation ARPEGE VORHERSAGELAUF
+72 h
Vorhersage
+6 h
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