RCC Node-CM Produktbeschreibung Version 1.5 (Juli 2018)

Transkript

1 Bodennahe Lufttemperatur Die Temperatur ist eine der meist verwendeten Klimavariablen und wird an meteorologischen Stationen in 2m Höhe über dem Boden gemessen. Auf der See wird die Lufttemperatur aber nicht in 2m Höhe, sondern in der Nähe der Wasseroberfläche durch freiwillige Beobachtungen fahrender Handelsschiffe erfasst. Regelmäßig werden gerasterte Daten und Karten für monatliche, jahreszeitliche und jährliche Mitteltemperaturen und ihre Anomalien für die Referenzzeiträume und produziert, um die wärmsten und kältesten Gebiete im Vergleich zum Normalwert in der RA-VI-Region und in angrenzenden Regionen darzustellen. Darüber hinaus werden auch Perzentilkarten erstellt; sie zeigen, in welchen Gebieten sich die Monats- bzw. Jahreszeiten- oder Jahresmitteltemperatur unter den 10 oder 20% höchsten oder tiefsten Werten des betreffenden Kalendermonats innerhalb eines längeren Zeitraumes ( ) befindet und geben damit Auskunft darüber, wo der betreffende Monat bzw. die Jahreszeit oder das Jahr außergewöhnlich warm oder kalt war. Monatliche, jahreszeitliche und jährliche Temperaturen können in verschiedenen Anwendungsbereichen genutzt werden, wie z.b. bei der Bewertung des Energieverbrauchs über einen bestimmten Zeitraum, und bei allen Fragen im Zusammenhang mit dem Klimawandel. Darüber hinaus werden gerasterte Daten und Karten für tägliche Minimum- und Maximumtemperaturen generiert. Diese sind besonders relevant zur Analyse von Extremereignissen, wie Kälte- und Hitzewellen. Produkte monatliche Mitteltemperatur für den aktuellen Monat monatliche Temperaturabweichung vom Referenzzeitraum bzw tägliche Minimumtemperatur tägliche Maximumtemperatur Temperatur-Perzentile - 1 -

2 monatliche Mitteltemperatur für den aktuellen Monat monatliche Temperaturabweichung vom Referenzzeitraum tägliche Minimumtemperatur tägliche Maximumtemperatur - 2 -

3 Temperatur-Perzentile Temperatur-Perzentile Spezifikationen geografische Region: Europa (Eckpunkte: 26.6 W, 27.4 N; 86.4 W, 69.5 N; 37.3 E, 22.6 N; 93.5 E, 60.4 N, WMO RA VI Region und angrenzende Teilregionen), Zentraleuropa (Eckpunkte: 10.9 W, 43.4 N; 16.5 W, 61.1 N; 22.7 E, 41.3 N; 33.0 E, 58.1 N), für tägliche Karten auch Südeuropa (Eckpunkte: W, N; W, N; E, N; E, N) Für die täglichen Karten ist derzeit nur die WMO RA VI Region mit Daten gefüllt. In den Perzentilkarten ist der Ausschnitt gefüllt, soweit Eingangsdaten (hier E-OBS, s.u.) vorhanden sind. räumliche Auflösung: täglich: 0,05 x 0,05 ; Perzentilraster: 0,5 x0,5, andere: 0,1 x0,1 (regelmäßiges Raster) zeitliche Auflösung: Maximum-/Minimumtemperatur: täglich; übrige Produkte: monatlich, jahreszeitlich, jährlich Projektion: gedrehtes regelmäßiges Breiten Längengrad-Gitter, virtueller Nordpol: 180 Länge, 38 Nord

4 Verfügbarkeit: tägliche Maximum-/Minimumtemperatur: 05/2012-heute (im Internet nur 31 Tage zurück), monatliche Mitteltemperatur und Anomalien: 01/1981-heute, Perzentile: 01/2014-heute Aktualisierung: tägliches Minimum: 8 UTC, tägliches Maximum: 20 UTC, monatliche Mittel und Anomalien: nach dem 10. Tag des Folgemonats; Perzentile: gegen Ende des Folgemonats nach Verfügbarkeit der E-OBS- Daten Format: png (Karten), NetCDF (gerasterte Daten), andere Formate auf Nachfrage Einheit: Mittel und Anomalien: C; Perzentile: dimensionslos (zwischen 0 und 1, entspricht Perzentil). Datenquelle Eingabedaten: täglich: SYNOP (nur über Land, Maximum: 18 UTC, Minimum: 06 UTC), monatliche Mittel und Anomalien: CLIMAT und Schiffsdaten; Perzentile: tägliche EOBS-Daten (interpolierte Raster aus dem ECA&D-Stationsdatensatz) in einem regelmäßigen 0,5 x0,5 -Gitter, Referenzwerte: täglich: SYNOP über Land entsprechend ( ), monatliche Mittel und Anomalien: CLIMAT und Schiffsdaten ( bzw ), Perzentile: E-OBS-Rasterdaten Methodik Monatliches Mittel CLIMAT und Schiffsdaten werden zunächst in einem multidimensionalen linearen Regressionsmodell mit Breitengrad, Kontinentalität, Jahresamplitude und Höhe als Prädiktoren verwendet. Die Residuen (Originaldaten minus Regressionsergebnis) werden mit Hilfe eines geografischen Informationssystems (ArcGIS bzw. einem entsprechenden Python-Programm) mit Radial Basis Funktionen (ist eine reelle Funktion, deren Wert nur vom Abstand zum Ursprung abhängt) als Interpolationsverfahren in der RA-VI-Region interpoliert. Nach Anwendung der Regression auf die interpolierten Residuenraster lässt sich die wahre Temperatur für jeden Gitterpunkt ableiten. Die Rasterdaten werden im regelmäßigen 0,1 x0,1 -Gitter berechnet. Für die Kartenerstellung werden die Raster dann mit CDO auf ein gedrehtes - 4 -

5 regelmäßiges Breiten-Längengrad-Gitter in einer Auflösung von 0,1 x0,1 bilinear interpoliert (CDO-Befehl: remapbil). Anschließend werden die rotierten Gitterpunktdaten mithilfe eines R-Programms als Karte für den Europa- und Zentraleuropa-Ausschnitt dargestellt. Monatliche Anomalien Die Anomalien der CLIMAT und Schiffsdaten für werden mit der gleichen Methode, aber ohne Regression interpoliert. Für liegen dagegen die Anomalien in den CLIMAT-Meldungen nicht vor; daher werden in dem Fall die Anomalien durch Subtraktion der Raster (individueller Monat minus Mittel der entsprechenden Kalendermonate) berechnet. Nachfolgend werden die 0,1 x0,1 -Anomalieraster in gleicher Weise wie die Monatsmittel auf das o.g. 0,1 x0,1 -Gitter in gedrehten Koordinaten transformiert und als Karte für den gleichen Ausschnitt dargestellt. Anomalien für Tageswerte können derzeit nicht bereitgestellt werden. Jahreszeiten und Jahr Für die Jahreszeiten-Karten werden zunächst die entsprechenden 0,1 x0,1 - Monatsraster gemittelt (Frühling: März-Mai, Sommer: Juni-August, Herbst: September-November, Winter: Dezember bis Februar) und dann für die gemittelten Raster in gleicher Weise Karten wie für die Monate erstellt. Entsprechend werden auch die Karten für das gesamte Jahr nach Mittelung über alle 12 Monatsraster des Kalenderjahres generiert. Tägliche Minimum- und Maximumtemperatur Für die Interpolation der täglichen Daten werden zunächst die monatlichen Durchschnittswerte, wie oben beschrieben, interpoliert, jedoch teilweise mit anderen Prädiktoren (Höhe, Kontinentalität, zonale Mitteltemperatur) und separat für einzelne Klimaregionen, und einem Simple Kriging als Interpolationsverfahren. Dann werden die täglichen Abweichungen (Tageswerte minus die monatlich interpolierten Daten) berechnet. Diese werden ebenfalls mit einem Regressionskriging interpoliert, wobei für die Regression dann nur noch die Höhe als Prädiktor verwendet wird und anschließend wiederum ein Simple Kriging. Die Summe aus den monatlichen und täglichen Interpolationen ist das Ergebnis für das tägliche Raster

6 Perzentile Die Eingangsdaten (E-OBS) werden in eine Rasterdatenbank (RASDAMAN) eingelesen. Da die E-OBS-Daten auf Tagesbasis vorliegen, werden sie zu Monaten (bzw. Jahreszeiten oder Jahre) gemittelt. Unter Nutzung der RASDAMAN-Software werden für jeden Rasterpunkt und Monat (bzw. Jahreszeit oder Jahr) jeweils für den Zeitraum die Rasterwerte der Größe nach geordnet und entsprechend ihrer Rangfolge Perzentilwerte zwischen 0 und 1 (entsprechend von 0 bis zum 100. Perzentil) direkt aus den Daten zugeordnet, ohne Annahme einer theoretischen Verteilung. Fehlwerte werden dabei nicht berücksichtigt. Die Perzentile werden nur dann berechnet wenn mindestens 90% der Werte aus dem Zeitraum für den betreffenden Rasterpunkt vorliegen (Ausgabemaske). Für den aktuellen Monat (bzw. Jahreszeit oder Jahr) wird jeweils der entsprechende Rasterwert mit den Perzentilwerten verglichen. Wird das 10. oder 20. Perzentil unterschritten oder das 80. oder 90. Perzentil überschritten, erhält der Rasterpunkt eine entsprechende Kennung. Ebenso wird eine weitere Kennung zugeordnet, wenn weniger als 90% der Rasterwerte vorliegen. Das Raster mit den Kennungen wird in gleicher Weise wie die übrigen Monatsraster auf ein Gitter in gedrehten Koordinaten transformiert (Auflösung 0,1 x0,1 ) und als Karte für den gleichen Ausschnitt dargestellt. Referenzdaten Für die monatlichen, jahreszeitlichen und jährlichen Anomalie-Raster werden als Referenz gemittelte CLIMAT-Stationswerte und Schiffsdaten verwendet, für jeden Kalendermonat bzw. Jahreszeit oder das komplette Jahr über den Zeitraum bzw Zusätzlich wurde für noch ein Abgleich mit Stationsdaten vom NCDC (National Climate Data Center) der NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration der USA, ) durchgeführt. Diese Daten sind auch entsprechend auf ein 0,1 x0,1 -Raster für die WMO RA VI Region interpoliert worden, sie werden aber derzeit nicht im Internet bereitgestellt. Für die Tagesmaxima und minima werden Klimamittel ( Normalwerte ) für jeden Kalendermonat über den Zeitraum durch Mittelung über alle entsprechenden Tagesraster bereitgestellt. Für die Perzentile dienen die o.g. E-OBS-Rasterdaten für den Zeitraum als Referenz. Die dazugehörigen Perzentilraster (s.o.) liegen als Rechengrundlage vor, werden aber nicht im Internet bereitgestellt

7 Qualität / Verwendung Diese Produkte werden zum Zweck der Klimaüberwachung generiert, d.h. für die großräumige klimatologische Interpolation von Karten. Einzelne Punkte können eine hohe Unsicherheit haben, weil die Stationsdichte der CLIMATs und Schiffsmeldungen im Gebiet ziemlich heterogen und limitiert ist (rund Stationen und Schiffspositionen werden für die ganze Region als monatliche Daten verwendet). Gerasterte Daten werden bereitgestellt, aber von der Interpretation einzelner Punkte wird dringend abgeraten. Die monatlichen CLIMAT-Daten werden mit höchster Qualitätsstufe kontrolliert und es fehlen kaum Meldungen. Schiffsdaten sind sehr heterogen in Raum und Zeit verteilt durch bestimmte Präferenzen in ihren Schifffahrtsrouten. Sie werden zu monatlichen Rasterdaten mit einer 2,5 -Auflösung gemittelt und danach auf ein 0,1 -Raster interpoliert. Tägliche SYNOP-Daten, die ebenfalls auf Qualität geprüft werden, können fehlende Werte aufweisen, aber da es so viele SYNOP- Stationen gibt, bleibt die Wirkung auf die Rasterung relativ gering. Die Qualität des Perzentilprodukts ist im Wesentlichen von der Qualität der E- OBS-Eingangsraster abhängig, die ebenfalls durch die Stationsdichte und -qualität und dadurch auftretende Interpolationseffekte bestimmt ist. Die zugrunde liegenden Stationsdaten werden auf Datenfehler und Inhomogenitäten geprüft. Einzelheiten dazu sind auf der Webseite und in den dort zitierten wissenschaftlichen Artikeln dargelegt. Die monatlichen Karten wurden und werden darüber hinaus auch visuell geprüft und ggf. offensichtlich fehlerhafte Stationswerte entfernt. Durch die Interpolation, die von Monat zu Monat nicht identische Stationsdichte und die unterschiedliche Berechnung der Anomalien für die Referenzzeiträume und sind die einzelnen Raster und Karten untereinander nicht konsistent. Bei großräumigen Vergleichen fällt dies nicht sehr ins Gewicht, bei kleinen Gebieten oder gar einzelnen Rasterpunkten ist jedoch bei Vergleichen Vorsicht geboten

8 Referenzen ausführliche Methodenbeschreibung: monatliche Karten: Hogewind, F., P. Bissolli, IDÖJÁRÁS Vol. 115, No. 1-2, (2011). tägliche Karten: S. Krähenmann, P. Bissolli, J. Rapp, B. Ahrens, Meteorol Atmos Phys 114, (2011). S. Brinckmann, P. Bissolli, S. Krähenmann, aktuelle Publikation eingereicht (2015). E-OBS-Daten:

9 Perzentile: Flexible percentile derivation from climate data. Final report V DWD-interne Dokumentation erstellt von Rasdaman GmbH (2014). CDO Nutzeranleitung: d6c30bff7/cdo.pdf Versionsgeschichte monatliche Karten: Version Datum Beschreibung der Änderungen erste operationelle Version Änderung der Prädiktoren (Kontinentalität und Jahresamplitude statt geografische Länge) Neues Kartenlayout und Erweiterung des Ausschnitts Perzentilkarten als neues Produkt Interne Version Erweiterung von Zeitraum und Referenzperiode tägliche Karten: Version Datum Beschreibung der Änderungen erste operationelle Version - 9 -

10 Kontakt Deutscher Wetterdienst RCC Node-CM (WMO RA VI) Frankfurter Str Offenbach Deutschland letzte Aktualisierung: 10. Juli