Donnerstag, 17. November 2011

Qualität von Wettermodellen im Vergleich

Hallo,

ich glaube, der Blog geht wettertechnisch in seinem 2-jährigen Bestehen durch eine seiner schwierigsten Phasen.

Die derzeitige Wetterlage über Mitteleuropa im speziellen Österreich, ist zwar rekordverdächtig (siehe die anhaltende Trockenheit, die vor allem im Westen des Landes um diese Jahreszeit beinahe konkurrenzlos dasteht), aber nichts desto trotz rekordverdächtig langweilig. Hochdruck bis zum Abwinken, wenn man so möchte Hochdruck bis beinahe zum Ende des Vorhersagezeitraumes der derzeit prominentesten Wettermodelle ECMWF und GFS.

Die beiden Produktbezeichnungen sind das Stichwort zum heutigen Eintrag.

Oftmals wird vom ECMWF gesagt, es sei das weltweit beste und verlässlichste Wettermodell und dabei wird auf eine oder eine ähnliche Grafik verwiesen:



Was ist hier zu sehen ? Auf der unteren Achse verläuft die Vorhersagezeit in Stunden. Im oberen Teil der Grafik ist der mittlere quadratische Vorhersagefehler einzelner Modelle über alle Gitterpunkte der Welt gemittelt für die Vorhersage der Höhe der 500 hPa-Fläche dargestellt. Je geringer der ist, desto 'besser' ist das Modell. Zu allen Vorhersagezeiten hat das ECMWF hier die Nase vorne.

Was die Grafik allerdings nicht aussagt, ist die Bedeutung der Höhe der 500 hPa für die tatsächliche Vorhersage bzw. die Wettererscheinungen.

Fehlvorhersagen können z.B aus 2 Quellen rühren:

1 - die Höhe wird systematisch falsch berechnet. Das ist halb so wild, da die Höhe allein kein relevantes Merkmal ist.

2 - die Position der Tröge und Keile wird falsch berechnet. DAS ist der gravierendere Teil. Das Modell, dass die Tröge und Keile besser vorhersagt hat auch die Nase vorn bei der Vorhersage der Wettererscheinungen, die für uns Erdenbürger relevant sind. Denn nicht auf die richtigen Absolutwerte kommt es an, vielmehr auf die richtigen Differenzen oder Gradienten.


Schauen wir uns also ein Vergleichsfeld an. Wie sieht die obige Aussage für die Temperatur z.B in 850 hPa aus ?



Auch hier hat das ECMWF die Nase vorne. Zum unteren Teil der Grafik: Hier werden die anderen Modelle im Vergleich zum GFS ausgewertet. Kurven unter 0 und ausserhalb der abgebildeten Kasteln sind statitisch hochsignifikant (besser) und Kurven oberhalb 0 und ausserhalb der Kasteln sind statistisch hochsignifikant schlechter.

Schränken wir beide Vergleichsgrössen auf die dicht besiedelte Nordhemisphäre ein:




Hier liegen für die Betrachtung der 500 hPa Fläche beiden Modelle näher aneinander und nähern sich auf große Vorhersagedauern an.

Wie sieht es bei der Temperatur aus ?


Hier fällt der Unterschied noch geringer aus...

Zusammenfassend: Auf der Nordhemisphäre nehmen sich die beiden Modelle nicht allzuviel.

Gehen wir in die Tropen (jetzt beide Grafiken hintereinander)



Hier ist das GFS in der Temperaturprognose besser, in der 500 hPa Prognose sind beide gleich gut.

Weils interessant ist: In der 1000 hPa Temperatur-Prognose ist das GFS um Welten besser als das ECMWF:



Nun zur Südhemisphäre:



Hier macht das ECMWF also den entscheidenden Schritt, mit Recht den Ruf als das beste Wettermodell zu tragen. Wohlgemerkt NICHT in den Tropen, nur EINGESCHRÄNKT auf der Nordhemisphäre, aber absolut eindeutig auf der Südhemisphäre. Wie das ?


Nun, das Wetter funktioniert auf der Südhemsiphäre nicht anders, und durch das viele Wasser mag man glauben, das Wetter sei noch viel einfacher gestrickt als auf der NH.

Das viele Wasser und die Antarktis haben einen ganz anderen, negativen Einfluss: Es gibt auf der Südhalbkugel nur vergleichsweise sehr wenige Beobachtungsdaten von Wetterstationen, Radiosonden und anderen Beobachtungsinstrumenten. Hier kommen dem ECMWF, ohne das jetzt im Detail eruiert zu haben, seine sehr umfangreichen Algorithmen zur Initialisierung als wohl auch die kleinere Maschenweite voll zu Gute.


Zusammenfassung:

Erstens und immer gilt: Glaube keiner Statitik, die du nicht selbst gefälscht hast. Dennoch traue ich mir nach Durchsicht der Grafiken für die letzten 30 Tage folgende Schlüsse zu:

- Auf der Nordhalbkugel ist das ECMWF im Vergleichszeitraum zwar das bessere, aber nicht allzu signifikant bessere Modell in der Mittelfrist.

- In den Tropen gewinnt das GFS das Rennen für sich.

- Auf der Südhalbkugel Sieg auf allen Linien für das EZ.

Irgendwie witzig, dass sich die Investitionen der Europäer im Bereich der Wettervorhersage vor allem für die Mets auf der Südhalbkugel auszahlen. Na ja, ist vielleicht auch eine ganz ganz ganz geringe Kompensation dafür, dass gerade die Europäer zu Kolonialzeiten nicht gerade nett zu den Bewohnern der SH waren ...

Anbei noch der Link zu der NCEP-Seite, die die Modellvergleiche regelmässig und laufend durchführt:

http://www.emc.ncep.noaa.gov/gmb/STATS_vsdb/

Lg

Manfred

Kommentare:

  1. Wie immer eine hochinteressante und aufschlußreiche Analyse. Danke!

    lg
    roman

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  2. Finde das Ergebnis bgl. Tropen etwas überraschend. EZMWF war meines Wissens das erste Mal, das in den 80ern die mesoskalige Dynamik von Tropenstürmen in die Modellphysik eingebaut hat. Auslöser war ein verheeerend schlecht vorhergesagtes Sturmereignis auf den Britischen Inseln (offenbar wurde eine Extratropical Transition übersehen, weiß es aber nicht mehr genau). Nach dem Einbau wurden die Modellprognosen erheblich besser.

    Interessant wäre zu wissen, warum EZ gerade bei Temperaturprognosen in den Tropen so schlecht abschneidet, bei der 500 hPa-Fläche ist die Verschlechterung gegenüber dem GFS nur minimal.

    Gruß,Felix

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  3. Hallo Felix,

    ein kleiner statistischer Trick ist da schon noch drinnen, das war aber nicht beabsichtigt. Schau mal die Skalen des RMSE Tropen/Aussertropen. In den Tropen sind die RMSE aller Modelle um den Faktor 2 (Temperatur) bis 8 (500 hPa Geopot) geringer. Alles andere wäre unter uns gesagt ja auch ein Wunder :)

    Dennoch, obwohl alle Modelle deutlich besser als in den AT performieren, ist die Qualität des GFS für die Temperaturen auf dem 95% Niveau signifikant besser.

    Und: Die Verbesserung ergibt sich v.a unterhalb 500 hPa. Warum, ist Spekulation, allerdings ist des für das NCEP von nationalem Interesse, trop. Stürme und Zyklonen so gut wie möglich zu behandeln, vielleicht wurde hier mehr in Algorithmen und Schemen investiert.

    3. Möglichkeit: Die letzten 30 Tage sind nicht repräsentativ, und mann sollte sich die Grafiken in einem Monant wieder ansehen, das kann natürlich auch sein.

    Lg

    Manfred

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  4. Ja, mit den Tropen ist es etwas falsch. Ich war in der Antarktis https://poseidonexpeditions.com/de/antarktis/ und nahm meteorologische Expedition. Die Forschungsergebnisse haben mich zum Schrecken geführt. Denn die globale Erwärmung beginnt, die permanente Spaltung der Gletscher fortzusetzen.

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Da kenntat ja jeder kumman ...! Dennoch ... Hier ist Platz dafür :) !