Data assimilation in Austria

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1 Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik Data assimilation in Austria Florian Meier, Xin Yan, Stefan Schneider, Christoph Wittmann, Yong Wang ZAMG

2 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

3 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

4 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

5 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

6 Special features B-Matrix: ensemble method (Berre) 50 days training period ( ) 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

7 Case study: 23rd July 2009 (squall line) UTC precipitation UTC INCA-Analyse

8 Case study: 23rd July 2009 (squall line) INCA-Analyse OPER 23rd July UTC run: precipitation 18 UTC - 21 UTC CANARI CANARI+3DVAR

9 Case study: 23rd July 2009 (squall line) INCA-Analyse OPER 23rd July UTC run: precipitation 18 UTC - 24 UTC ASCAT-SURFEX

10 Systematic deviation in snow cover caused by CANARI NOAA-NESDIS OBS

11 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)

12 Verification over Austria: T2m June 2010 OPER CANARI+3D-Var stations below 500m 12 UTC runs stations above 500m January 2010

13 Verification over Austria: RH2m June 2010 OPER CANARI+3D-Var stations below 500m 12 UTC runs stations above 500m January 2010

14 Verification over Austria: Windspeed 10m June 2010 OPER CANARI+3D-Var stations below 500m 12 UTC runs stations above 500m January 2010

15 Verification over Austria: mean sea level pressure June 2010 OPER CANARI+3D-Var stations below 500m 12 UTC runs January 2010

16 Verification over Central Europe: relative humidity 850hPa 500hPa RMSE June 2010, 12 UTC runs 500hPa 850hPa BIAS

17 Verification over Central Europe: temperature 850hPa 500hPa RMSE June 2010, 12 UTC runs 500hPa 850hPa BIAS

18 Verification over Central Europe: wind 850hPa 500hPa RMSE June 2010, 12 UTC runs 500hPa 850hPa BIAS

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20 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

21 verification I verification of forecasted 2m-temperature for July 20-30, 2009 Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik OPER ASSIM

22 verification II verification of forecasted 2m-relative humidity for July 20-30, 2009 Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik OPER ASSIM

23 verification III SAL verification of forecasted precipitation for July 20-30, 2009 Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik A: 0.46 vs 0.54 S: vs 0.08 L: 0.29 vs 0.29

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27 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 UTC

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29 Monitoringsoftware (entwickelt im LACE Konsortium) Zur Darstellung der aktuellen Assimilationsinkremente

30 Monitoringsoftware (entwickelt im LACE Konsortium) z.b. 2m Temperatur Beobachtung - first guess Status des Beobachtungssystems Analyse - first guess

31 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

32 Fallbeispiel: 23. Juli 2009 (Squall Line) UTC Niederschlag UTC INCA-Analyse

33 Fallbeispiel: 23. Juli 2009 (Squall Line) INCA-Analyse OPER 23. Juli 00 UTC Lauf: Niederschlag 18 UTC - 21 UTC CANARI CANARI+3DVAR Niederschlag UTC

34 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 UTC

35 Verifikation bodennahe Felder (58 österreichische Stationen) Vorhersagezeit 0-72h Vorhersagezeit 0-72h RMSE MAE BIAS Rel. Feuchte 2m / % T2m/ C OPER 3DVAR+CANARI

36 Verifikation bodennahe Felder Vorhersagezeit Vorhersagezeit RMSE MAE BIAS 10m Wind/(m/s) Bodendruck/hPa OPER 3DVAR+CANARI

37 Verifikation der Höhenfelder ( ): Temperatur Bias RMSE 500hPa OPER 3DVAR+CANARI RMSE 700hPa Bias

38 Verifikation der Höhenfelder ( ): rel. Feuchte 500hPa Bias RMSE OPER 3DVAR+CANARI RMSE 700hPa Bias

39 Verifikation der Höhenfelder ( ): Geopotential RMSE 500hPa Bias OPER 3DVAR+CANARI RMSE 700hPa Bias

40 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

41 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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45 Warum Datenassimilation an der ZAMG? Globalmodellgitter Beobachtung ALADIN-Gitter Globale Assimilation Downscaling Direkte Assimilation In 3D-Var Beobachtung

46 Datenassimilationsverfahren: 3D-Var: Minimierung einer Kostenfunktion xa: Analysevektor xb: First Guess-Vektor yo: Beobachtungsvektor R: Beobachtungsfehlermatrix B: Hintergrundsfehlermatrix H: Transformationsfunktion

47 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

48 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

49 Verifikation bodennahe Felder Vorhersagezeit Vorhersagezeit 0-72h Rel. Feuchte 2m / % T2m/ C OPER 3DVAR+CANARI

50 Verifikation der Höhenfelder ( ): Wind RMSE 500hPa Bias OPER 3DVAR+CANARI RMSE 700hPa Bias

51 Negativer Feuchtebias in der Grenzschicht Rel. Feuchte /% 925hPa RMSE Bias 925hPa Temperatur /K Bias RMSE

52 Geopotential und Wind 925 hpa Geopotential /gpdm 925hPa RMSE Bias 925hPa Wind /(m/s) Bias RMSE

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54 Schema des Assimilationszyklus an der ZAMG (3DVAR+CANARI Bodenassimilation) Zyklus mit langem Kontrollschluss Zyklus mit kurzem Kontrollschluss Und 72 hvorhersage Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik 0/6/12/18 UTC 00/12 UTC

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56 Niederschlag / 3h bis Termin ALADIN-Austria 00 Uhr Lauf ALADIN-Austria+ ASSIM. INCA UTC Analyse

57 Niederschlag / 3h bis Termin ALADIN-Austria 00 Uhr Lauf ALADIN-Austria+ ASSIM. INCA UTC Analyse

58 Niederschlag / 3h bis Termin ALADIN-Austria 00 Uhr Lauf ALADIN-Austria+ ASSIM. INCA UTC Analyse

59 Niederschlag / 3h bis Termin ALADIN-Austria 00 Uhr Lauf ALADIN-Austria+ ASSIM. INCA UTC Analyse

60 Niederschlag / 3h bis Termin ALADIN-Austria 00 Uhr Lauf ALADIN-Austria+ ASSIM. INCA UTC Analyse

61 Niederschlag / 3h bis Termin ALADIN-Austria 00 Uhr Lauf ALADIN-Austria+ ASSIM. INCA UTC Analyse

62 2m Temperatur OPER OPER-ALADIN mit Assim. 23. Juli UTC +1h

63 2m Temperatur OPER OPER-ALADIN mit Assim. 23. Juli UTC +18 h

64 2m Temperatur (Pistotnik 2009) INCA Analyse UTC

65 RMS in hpa Nutzen der Datenassimilation ECMWF Saisonalmittel Bodenluftdruckvorhersage Für die Nordhemisphäre Winter DJF Größere Änderungen am Datenassimilationssystem

66 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 First Guess

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