Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung AQUARadar.

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1 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung AQUARadar Advances in Quantitative Areal Precipitation Estimation by Radar Teilprojekt B Meteorologisches Institut der Universität Bonn Silke Trömel, Clemens Simmer

2 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Gliederung 1. Flächenschätzer aus Radardaten ohne Z-R-Beziehung: Erweiterung des Modells durch die Beschreibung der zeitlichen und räumlichen Variabilität des 3-dimensionalen Radarvolumens: Zusammenfassung und Ausblick Verifikation der Näherung auf Basis dreier LM-Tage V=S( )·ATI (Doneaud et al.,1984) V/ATI=S(,IRVD)

3 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Die Theorie Atlas et al., 1990: Liefern eine Theorie für die Schätzung 1.…des totalen Niederschlags eines einzelnen konvektiven Regengebiets/-systems über seine Lebenszeit sowie 2.…des flächenweiten instantanen Niederschlags von einer Vielzahl von Systemen durch Messung der Fläche mit Reflektivitäten oder äquivalenten Niederschlagsintensitäten oberhalb einer bestimmten Schwelle.

4 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Die Theorie …beruht auf der Existenz einer gutartigen, relativ konstanten Wahrscheinlich- keitsdichtefunktion (PDF) der Regenintensitäten entweder von 1. …einem einzigen Regengebiet/-system über seine Lebenszeit 2. …oder einer Vielzahl von Systemen zu einem Zeitpunkt

5 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Die Theorie Atlas et al., 1990: Liefern eine Theorie für die Schätzung 1.…des totalen Niederschlags eines einzelnen konvektiven Regengebiets/-systems über seine Lebenszeit sowie 2.…des flächenweiten instantanen Niederschlags von einer Vielzahl von Systemen durch Messung der Fläche mit Reflektivitäten oder äquivalenten Niederschlagsintensitäten oberhalb einer bestimmten Schwelle.

6 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Datengrundlage: Pseudoradardaten und modellierte Niederschläge des Lokalmodells (LM) Untersuchung von 100 Niederschlagssystemen vom 17. Juli 2004, 8. Juli 2005 und 19. August 2005 Selektion gemäß SARTrE (Scale Adaptive Radar Tracking Environment)- Algorithmus (Jürgen Lorenz Simon, 2004) Datum des Gaußkernels Anzahl 17. Juli 2004 626 146 8. Juli 2005 615 1020 145 19. August 2005 616 1012

7 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung LM-Daten vom 8.Juli 2005 R [mm/h]

8 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Beispiel vom 8.7.2005: Experiment 3 (das größte und stärkste) Z [dBZ] Fläche: 103.3 ·10 4 km 2 Maximum: 199.5 ·10 3 mm 6 /m 3

9 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Beispiel vom 19. August 2005: Experiment 3 Z [dBZ]

10 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Verifikation : Schwelle = 18 dBZ S(18 dBZ)=3.43 mm/h r 2 =0.73

11 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Verifikation : Schwelle = 18 dBZ S(18 dBZ)=2.92 mm/h r 2 =0.68 0.88mm/h V/ATI12.48mm/h

12 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Pool potentieller Regressoren HMEAN HSTD ATI A( ) AoAo A( )/A o D

13 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Hor. Erwartungswert HMEAN und hor. Standardabweichung HSTDEV ( =18dBZ)

14 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Pool potentieller Regressoren HMEAN HSTD ATI A( ) AoAo A( )/A o D MEANE e MEANETH

15 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Effektive Effizienz E e Q b -Q t E e = -------- Q b Q = Mischungsverhältnis am Unter- (bottom) bzw. Oberrand (top) der Wolke Rosenfeld et al. (1990) E e 0.5 entspricht rel. flacher Konvektion E e 1 entspricht rel. hochreichender Konvektion Anteil an Wasserdampf, der durch die Wolkenbasis transportiert wird und somit potentiell für Niederschlag zur Verfügung steht. parametrisiert Entrainment, Mischung und Verdunstung

16 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Effektive Effizienz E e Q b = Sättigungsmischungsverhältnis in 800 m Höhe Q t = Sättigungsmischungsverhältnis bei echo-top-height (Höhe in der die Radarreflektivität unter 12dBZ fällt) evtl. unter der Annahme feuchtadiabatischen Aufstiegs Q b -Q t E e = -------- Q b w m w e Q = ---- = ------ ------- l m l (p-e) = Dichte von Wasserdampf bzw. trockener Luft m = Molekulargewichte von Wasserdampf bzw. trockener Luft e = Wasserdampfdruck p-e = Druck der trockenen Luft

17 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Effektive Effizienz E e e=e s =fkt(T): näherungsweise nach Magnus-Formel w m w e Q = ---- = ------ ------- l m l (p-e) T 800m = Temperatur in 800m aus Radiosonden- aufstieg (bsp. Idar-Oberstein oder Stuttgart) T eth = Temperatur in eth aus Radiosondenaufstieg oder u. A. feuchtadiabtischen Aufstiegs p 800m = Druck aus Radiosondenaufstieg p eth = Druck aus Radiosondenaufstieg oder u. A. einer Abnahme von 1mbar/12m

18 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung V/ATI vs. MEANE e

19 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Pool potentieller Regressoren HMEAN HSTD ATI A( ) AoAo A( )/A o D MBB MEANE e MVSTD MVMEAN MEANETH

20 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Brightbandanteil Vertikalschnitts am jeweiligen Zentrum der Reflektivität Schätzung der Höhe der Nullgradschicht aus Radiosonden- aufstiegen (linear interpoliert) Aktuelle Defintion: Anteil der maximalen Reflektivitäten des Vertikalprofils ± 1 km im Bereich ± 1 km der 0 o C-Schicht (Anhand vert. Schnitt in 0.1 km Auflösung) Berechnung des

21 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung V/ATI vs. MBB

22 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Entwicklungsstadium des Systems Schätzung aus Trends im Brightbandanteil, effective Efficiency, vertikalem Mittel... Wachstumsphase Konvektive Phase Stratiforme Phase Erste Tropfen, meist groß und weit verteilt, mit großem Z und überschätzten R bei konstanter Z-R-Beziehung. Maximale Regenintensitäten gegen Ende der Wachstumsphase mit konvektiver Z-R-Beziehung Regengebiet dehnt sich aus und somit auch geringere radiale Gradienten, weiterhin hohe Intensitäten, konvektive Z-R Bright band, geschmolzene Schneeflocken erreichen den Boden als weiterverteilten, leichten Regen, stratiforme Z-R-Beziehung, sehr geringe Gradienten

23 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Beispiel vom 8. Juli 2005: Experiment Q

24 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Experiment Q Zeitlicher Verlauf des Vertikalschnitts [dBZ] Höhe [km] Geschätzte Höhe der 0 o C-Schicht (Radiosonde Stuttgart): 2238 m

25 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Verlauf von Experiment Q

26 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Pool potentieller Regressoren HMEAN HSTD ATI A( ) AoAo A( )/A o D MBB TBB RTBB TNBB RTNBB MEANE e MVSTD MVMEAN MEANETH STDBB

27 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Abnahme an SSR durch jeden selek. Regressor Ist geringster Beitrag signifikant ? Zuwachs an SSR mit jeder potentiellen Struktur Ist größter Zuwachs signifikant ? Ende Selektierte Regressoren nein ja Eliminieren nein ja Schrittweise Regression

28 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Signifikant detektierte Deskriptoren (Schrittweise Regression, leave-one-out cross-validation) DeskriptorAnzahl HMEAN100 HMEAN 3 100 HMEAN 2 99 (A( )/A o ) 5 99 HSTD 4 98 MBB 3 97 RTBB87 MEANETH17 (A( )/A o ) 9 TBB 3 8 TNBB 3 7 HMEAN 4 2 TBB 5 1 Erklärte Varianz in V/ATI: 98.9%

29 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Niederschlagsmengen der 100 Ereignisse

30 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Absolute und relative Fehler (leave-one-out cross validation, LOOCV)

31 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Zusammenfassung und Auslick 1.Auf Basis 100 betrachteter Niederschlagssysteme dreier LM-Tage erweisen sich HMEAN, HMEAN 3, HMEAN 2, (A(t)/Ao) 5,HSTD 4, MBB 3 und RTBB als Erfolg versprechende IRVD. 2. Der relative Fehler liegt auf Basis des Modells in 74 der 100 Fälle unter 10%. 3. Eine weitere Verbesserung ist durch skalen- oder typabhängige Modelle denkbar. Der wichtigste, nun ausstehende Schritt ist es zu testen, ob reale Beobachtungen als mögliche Realisationen des Modells interpretiert werden können.

32 Meteorologentagung 10.-14. September 2007 in Hamburg Radarvolumendeskriptoren von Niederschlagszellen zur quantitativen Niederschlagsschätzung Vielen Dank !