Aktuelle österreichische Beiträge zum World Climate Research Programme (WCRP)

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1 ÖGM Bulletin, 1/1, Aktuelle österreichische Beiträge zum World Climate Research Programme (WCRP) Franz Rubel Arbeitsgruppe Biometeorologie, Institut für Medizinische Physik und Biostatistik, VUW, Wien Einleitung Aktuelle Beiträge zur globalen Klimaforschung aus den Programmen GEWEX (Global Energy and Water Cycle Experiment) und GPCP (Global Precipitation Climatology Programme), beide Teil des WCRP (World Climate Research Programme), werden vorgestellt. Die Arbeiten wurden von der Arbeitsgruppe Biometeorologie, Institut für Medizinische Physik und Biostatistik der Veterinärmedizinischen Universität Wien in Kooperation mit dem Institut für Meteorologie und Geophysik der Universität Wien sowie dem Weltzentrum für Niederschlagsklimatologie (WZN) des Deutschen Wetterdienstes durchgeführt. Finanzielle Unterstützung erfolgte durch die beiden EU-Projekte NEWBALTIC I und II (Bengtsson 1998, ), ein Projekt des Jubiläumsfonds der Österreichischen Nationalbank 1 sowie durch zwei Projekte des Deutschen Wetterdienstes,3. Beiträge zum Global Energy and Water Cycle Experiment (GEWEX) GEWEX umfaßt 5 kontinentalskaligen Experimenten. Diese sind das Baltic Sea Experiment (BALTEX) in Europa, das GEWEX Continental-Scale International Project (GCIP) in Nordamerika, das GEWEX Asian Monsoon Experiment (GAME), das Large-Scale Biosphere- Atmosphere Experiment in Amazonien (LBA) und die Mackenzie GEWEX Study (MAGS) in Kanada. Vorrangiges Ziel dieser Studien ist es, die Energie- und Wasserkreisläufe in den untersuchten Gebieten zu bestimmen. Abb. 1 zeigt den Wasserkreislauf für die Monate August, September und Oktober 1995 für das europäische Experiment BALTEX im Modellgebiet der Ostsee (Raschke et. al., 1). Der österreichische Beitrag zur Bestimmung der BALTEX Wasserbilanz beinhalten die Entwicklung des Precipitation Correction and Analysis (PCA) Modells sowie die Erstellung der ersten mesoskaligen Niederschlagsklimatologie für das gesamte Einzugsgebiet der Ostsee (Rubel and Hantel, 1a,b). Das PCA-Modell besteht aus zwei Modulen, einem dynamischen Modell zur Korrektur des systematischen Fehlers von Niederschlagsmeßgeräten und einem geostatistischen Modell zur Analyse von Gebietsniederschlägen. Es ist dafür ausgelegt, eine große Anzahl von tägliche Niederschlagsmessungen auf der Mesoskala zu analysieren. Die Anzahl der verfügbaren Stationen im BALTEX Gebiet ist ca. (Abb. ). 1 Rubel, F., M. Ungersböck, H. Dreiseitel, and P. Skomorowski, : Bestimmung des Frischwassereintrages im Einzugsgebiet der Ostsee aus Boden- und Fernerkundungsdaten. Projektbericht, ÖNB Jubiläumsfonds Nr Rubel, F. M. Ungersböck, and P. Skomorowski, 1999: Einrichtung einer operationellen Methode zur Korrektur der täglichen Niederschlagshöhe bezüglich systematischer Meßfehler und zur objektiven Analyse, Projektbericht, DWD-Projekt. 3 Rubel, F., M. Ungersböck, P. Skomorowski, 1999: Verifizierung der GPCP-Produkte mit BALTEX- und MAP-Analysen, Projektbericht, DWD-Projekt.

2 Precipitation Convergence Precipitation Storage August 1995 September 1995 October Evaporation Run-Off Abb. 1: BALTEX Wasserbilanz für August, September und Oktober 1995 (Raschke et al., 1) Die Niederschlagsmessung mit Ombrometern ist konstruktionsbedingt mit einem nicht zu vernachlässigendem systematischen Meßfehler behaftet. Dieser wird hauptsächlich verursacht durch Auffangverluste zufolge der Deformation des Windfeldes über dem Auffangbehälter. Hohe Windgeschwindigkeiten in Kombination mit leichten Niederschlagsteilchen (kleine Tropfen oder Schneeflocken) sind besonders schwer zu registrieren. Dieser aerodynamische Fehler ist im Mittel -1 % bei flüssigem Niederschlag und 1-5 % bei festen Niederschlag, kann aber weit über 1 % betragen. Dazu kommen noch Verluste zufolge Verdunstung und Benetzung. Diese Fehler liegen im Bereich -1 %. Mit Ausnahme von Fehlern durch Schneeverwehung, die nicht der Genauigkeit des Meßgerätes selbst zugeordnet werden können, führen alle Fehlerkomponenten dazu, daß zu geringe Niederschlagsmengen gemessen werden. Das dynamische Korrekturmodell (Rubel und Hantel, 1999) reduziert den systematischen Meßfehler der täglichen Niederschlagsmessungen unter Berücksichtigung der verwendeten Niederschlagsmesser (HELLMANN, TRETJAKOV, SMHI, usw.) sowie des aktuellen Wetters (Niederschlagsintensität, Windgeschwindigkeit, Temperatur, usw.). Der systematische Meßfehler ist insbesondere in höheren Breiten und im Gebirge von Bedeutung, wenn der globalen Erwärmung eine Zu- oder Abnahmen der Niederschlagsmengen zugeordnet werden soll. Forland und Hanssen-Bauer () zeigten, daß in der Norwegischen Arktis die Temperatur in den letzten 3 Jahren um ca..5 C zugenommen hat. Damit verbunden war ein geringerer Anteil festen Niederschlags. Die im gleichen Zeitraum gemessene Zunahme des Niederschlags ergab.9 %, nach Korrektur des systematischen Meßfehlers aber nur mehr 1.7 %. Unter Vernachlässigung des systematischen Meßfehlers würde man daher die höheren Niederschlagsmengen zufolge der globalen Erwärmung um 7 % überschätzen.

3 ÖGM Bulletin, 1/1, o E o E 3 o E 4 o E ATLANTIC OCEAN Russia Bothnian Bay Finland Norway Sweden Bothnian Sea Gulf of Finland Russia 6 o N 6 o N Estonia Skagerrak Kattegatt Denmark BALTIC SEA Gulf of Riga Lithuania Latvia Baltic Proper Belarus Poland Germany 5 o N Ukraine 5 o N Czech Republic Slovakia 4 km 1 o E o E Abb. : Verteilung der Stationen mit Niederschlagsmessung im Einzugsgebiet der Ostsee. Anzahl der Niederschlagsmeßgeräte:

4 4 Niederschlag in mm/tag Niederschlag in mm/tag 6 4 Jän Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sept Okt Nov Dez Abb. 3: Niederschlagseintrag im Einzugsgebiet der Ostsee. Zeitreihen der Monats- und Jahreswerte für die Periode (oben) und Tages- und Monatswerte für 1998 (unten). Einheiten in mm/tag. Im PCA-Modell wird das als Ordinary Block-Kriging bekannte geostatistische Verfahren verwendet. Es ermöglicht die Berechnung von Gebietsniederschlägen sowie die Angabe der Interpolationsgenauigkeit durch die Schätzvarianz. Ausgewählte Ergebnisse der Niederschlagsklimatologie der Ostsee (Rubel und Hantel, 1b) sind in Abb. 3 dargestellt. Abb. 3 (oben) zeigt die -jährige Zeitreihe ( ) des Süßwassereintrags in das Einzugsgebiet der Ostsee (entspricht dem Gebietsniederschlag) berechnet aus der Datenbasis des GPCP. Abb. 3 (unten) zeigt die Zeitreihe des täglichen Niederschlags für 1998 berechnet aus der Datenbasis des BALTEX-Hauptexperiments BRIDGE (siehe Abb. ). Beiträge zum Global Precipitation Climatology Project (GPCP) Seit 1993 werden durch das GPCP globale monatliche Niederschlagsfelder (GPCP-VX) mit einer räumlichen Auflösung von.5 analysiert und für Anwender bereitgestellt. Seit Oktober ist das erste tägliche globale Niederschlagsprodukt (GPCP-1DD) mit einer Auflösung von 1 operationell verfügbar (Huffman et al., 1). Dieses basiert ausschließlich auf Satellitenmessungen, da bisher keine täglichen Bodenmessungen in ausreichender Zahl und bias-korrigiert zur Verfügung standen.

5 ÖGM Bulletin, 1/1, W W 1W 9W 6W 3W 3E 6E 9E 1E E 18E November 1997 BALTEX 6N 6N 3N GCIP 3N GAME LBA 3S 6 3 BALTEX S 6S 6 3 GCIP LBA GAME S 18W W 1W 9W 6W 3W 3E 6E 9E 1E E 18E Abb. 4: Räumliche Verteilung der am WZN weltweit über GTS verfügbaren täglichen Niederschlagsmessungen. Die GEWEX-Modellgebiete BALTEX, GCIP, LBA und GAME sind durch Rechtecke markiert. Die entsprechenden Zeitreihen zeigen den über das Modellgebiet gemittelten systematischen Fehler der Niederschlagsmessungen für November Es ist daher von Bedeutung zu wissen, wie genau das GPCP-1DD Satellitenprodukt aus Bodenmessungen analysierte Gebietsniederschläge abbilden kann. Dafür wurden zwei Gebiete über Europa, das Gebiet des Mesoscale Alpine Programme (MAP) und das BALTEX-Gebiet, ausgewählt. Beide zeichnen sich durch besonders hohe Stationsdichten aus, so daß die Bodenanalyse als Ground Truth zur Verifikation der Satellitenabschätzungen verwendet werden kann. Das Ergebnis der Verifikation über den Alpen (MAP-Gebiet) ist in Tab. 1 zusammengefaßt. Tab. 1: True Skill Statistics (TSS) für das GPCP-1DD Satellitenprodukt in Abhängigkeit des analysierten Niederschlags in der Gitterbox (1 x 1 ). Zum Vergleich sind die Verifikationsmaßzahlen für die ECMWF Vorhersagen (t+6 bis t+3 ) angegeben. Untersuchungszeitraum Juni/Juli 1997 (Rubel and Rudolf, 1). Die TSS-Maßzahlen für das GPCP-1DD Satellitenprodukt sind deutlich geringer als für die ECMWF-Vorhersage. Besonders geringe Niederschlagsmengen werden von der Satelliten-

6 analyse nur unzureichend erfaßt. Die gezeigten Ergebnisse beziehen sich auf die experimentelle GPCP-1DD Version. Die seit Oktober neu kalibrierten GPCP-1DD Daten sollten deutlich höhere Verifikationsmaßzahlen liefern; eine Verifikation ist aber noch ausständig. Detailliertere Verifikationsergebnisse sind in Skomorowski et al. (1) und Rudolf and Rubel () dokumentiert. Als weiterer Beitrag zum GPCP wurde das im Rahmen von BALTEX entwickelte Verfahren zur Korrektur systematischer Fehler täglicher Niederschlagsmessungen am Weltzentrum für Niederschlagsklimatologie (Rudolf et al., 199) zur operationellen Anwendung implementiert (Ungersböck et al., 1; Fuchs et al., 1). Abb. 4 zeigt neben der Stationsverteilung der am WZN online verfügbaren täglichen Niederschlagsmessungen die Korrekturen für die GEWEX-Gebiete BALTEX, GCIP, LBA und GAME für November Während die mittleren Korrekturen für BALTEX und GCIP im Bereich -5 % liegen, sind die Korrekturen in den Tropischen Gebieten von LBA und GAME deutlich geringer (3-5 %). Ausblick Das BALTEX Hauptexperiment BRIDGE läuft derzeit. Es ist geplant die Datensammlung sowie die Auswertung noch zumindest bis Ende 5 fortzusetzen. Damit wird ein nordeuropäischer Referenzdatensatz geschaffen, der in räumlicher und zeitlicher Auflösung einzigartig ist. Zusätzlich zur Beantwortung klimatologischer Fragestellungen wird dieser Datensatz zur Evaluierung von numerischen Wettervorhersage- und Klimamodellen (Jacob et al., 1; Rubel and Rudolf, 1) aber auch zur Prüfung von Satellitenanschätzungen (Rudolf and Rubel, ) verwendet werden. Abstand zur nächsten SYNOP Station [km] Abstand zur nächsten SYNOP Station [km] Niederschlag in mm/tag by6554 by6566 by6643 by66 by6653 by6659 by6666 by6668 by6736 by67 by6748 by685 by683 by6834 by6836 by6846 by693 by699 by6938 by6941 de11 de1 de de11 de1 de1 de135 de131 de13 de135 de133 de1335 de134 de5 de5 de1 de16 de19 de de5 de8 Abb 5: Ergebnisse des stochastischen Modells zur Korrektur des systematischen Meßfehlers für ausgewählte Stationen in Weißrussland (links) und Deutschland (rechts). Gemessene Niederschläge (dunkelgrau), systematischer Meßfehler mit 95% Konfidenzintervall (hellgrau). Einheiten mm/tag, Datum: 1. Jänner Methodisch werden beide Komponenten des PCA-Modells, die Analysemethode und das Korrekturmodell für den systematischen Meßfehler, weiterentwickelt. Für zukünftige Analysen sind nichtlineare Kriging Methoden in Erprobung, das deterministische, dynamische Korrekturmodell wird um ein stochastisches Fehlermodell erweitert. Erste Ergebnisse des neuen stochastischen Korrekturmodells (Niederschlagsmeßwert sowie mittlere Korrektur mit 95% Konfidenzintervall) sind in Abb. 3 zu sehen. In der vorliegenden

7 ÖGM Bulletin, 1/1, experimentellen Version werden Fehler in der Wind- und Temperaturabschätzung zufolge fehlender Messungen am Ort der Niederschlagsmessung berücksichtigt (Interpolationsfehler). Dies sind die größten Fehlerquellen. Die Implementierung der anderen Fehlerquellen, wie die Meßfehler verschiedener Eingangsdaten des Korrekturmodells oder die Unsicherheit in der Bestimmung der Phase (flüssig, fest oder gemischter Niederschlag), ist in Vorbereitung. Auch die Verifikation der GPCP-Produkte wird fortgesetzt. Das GPCP-1DD Produkt liegt seit Oktober in der finalen Version vor. Es ist zu prüfen, ob die vorgenommene Neukalibrierung zu besseren Verifikationsergebnissen führt. Zur exakteren Charakterisierung von Fehlanalysen wird die operationelle, objektive Wetterlagenklassifikation des DWD herangezogen. Eine Verbesserung der täglichen globalen Satellitenniederschläge wird auch durch die Einbeziehung der globalen bias-korrigierten Bodenmessungen (Abb. 4) erwartet. Literatur Bengtsson, L. (Project Coordinator), 1998 and : Numerical Studies of the Energy and Water Cycle of the Baltic Region. Final reports for the EU-projects NEWBALTIC I and II (Contract No. ENV4-CT95-7 and ENV4-CT97-66 Climatology and Natural Hazards). Max-Planck-Institut für Meteorologie, Hamburg, Germany. Forland, E. J., and I. Hanssen-Bauer, : Increased precipitation in the Norwegian Arctic: True or false? Climatic Change, 46, Fuchs, T., J. Rapp, F. Rubel, and B. Rudolf, 1: Correction of synoptic precipitation observations due to systematic measuring errors with special regard to precipitation phases. Phys. Chem. Earth (B), 6, Huffman, G. J., R. F. Adler, M. M. Morrissey, D. T. Bolvine, S. Curtis, R. Royce, B. McGavock, and J. Susskind, 1: Global precipitation at one-degree daily resolution from multi-satellite observations. J. Hydrometeorol.,, Jacob, D., B. J. J. M. van den Hurk, U. Andrae, G. Elgered, C. Fortelius, L. P. Graham, S. D. Jackson, U. Karsten, Chr. Köpken, R. Lindau, R. Podzun, B. Rockel, F. Rubel, B. H. Sass, R. N. B. Smith, and X. Yang, 1: A comprehensive model intercomparison study investigating the water budget during the BALTEX- PIDCAP period. Meteorol. Atm. Phys., 77, Raschke, E., J. Meywerk, K. Warrach, U. Andrae, S. Bergström, F. Beyrich, F. Bosveld, C. Fortelius, P. Graham, S.-E. Gryning, S. Halldin, L. Hasse, M. Heikinheimo, H.-J. Isemer, D. Jacob, I. Jauja, K.-G. Karlsson, S. Keevallik, J. Koistinen, A. van Lammeren, U. Lass, J. Launiainen, A. Lehmann, B. Liljebladh, M. Lobmeyr, W. Matthäus, T. Mengelkamp, D. B. Michelson, J. Napiorkowski, A. Omstedt, J. Piechura, B. Rockel, F. Rubel, E. Ruprecht, A.-S. Smedman, and A. Stigebrandt, 1: BALTEX (Baltic Sea Experiment): A European contribution to investigate energy and water cycles over a large drainage basin. Bull. Amer. Meteor. Soc., 8, Rubel, F., and M. Hantel, 1999: Correction of daily rain gauge measurements in the Baltic Sea drainage basin. Nord. Hydrol., 3, Rubel, F., M. Ungersböck, P. Skomorowski, I. Auer, B. Rudolf, T. Fuchs, and J. Rapp, : On the correction of systematic rain gauge measurement errors. MAP Climate Workshop, Interlaken, Switzerland, Poster online available at: Rubel, F., and M. Hantel, 1a: BALTEX precipitation analysis: Results from the BRIDGE preparation phase. Phys. Chem. Earth (B), 6, Rubel, F., and M. Hantel, 1b: BALTEX 1/6-degree daily precipitation climatology Meteorol. Atm. Phys., 77, Rubel, F., 1: On Precipitation Climatology: From Continental Scale Experiment to Global Application. Habilitationsschrift, Fakultät für Naturwissenschaften und Mathematik der Universität Wien. Rubel, F., and B. Rudolf, 1: Global daily precipitation estimates proved over the European Alps. Meteorol. Z., 1, Rudolf, B., H. Hauschild, M. Reiß und U. Schneider, 199: Beiträge zum Weltzentrum für Niederschlagsklimatologie. Aufgabenstellung und internationale Einbettung. Meteorol. Z., 1, Rudolf, B., and F. Rubel, : Regional validation of satellite-based global precipitation estimates. Proceedings of the European Meteorological Satellite Data Users Conference - EUMETSAT, 9 May to June, Bolognia, Italy, Skomorowski, P., F. Rubel, and B. Rudolf, 1: Verification of GPCP-1DD global satellite precipitation products using MAP surface observations. Phys. Chem. Earth (B), 6, Ungersböck, M., F. Rubel, T. Fuchs, and B. Rudolf, 1: Bias correction of global daily rain gauge measurements. Phys. Chem. Earth (B), 6,