RCC Node-CM Produktbeschreibung Version 2.0 (Sep. 2017)

Transkript

1 SCHNEE Schnee ist eine sehr wichtige Größe, um das Klima zu beschreiben. Er hat Auswirkungen auf das Klimasystem der Erde durch eine höhere Rückstreuung von Sonnenstrahlung (Albedo) über einer schneebedeckten Oberfläche im Vergleich zu einer ohne Schneedecke. Dies verhindert, dass die Erdoberfläche sich erwärmt. Der Emissionsgrad der terrestrischen langwelligen Strahlung ist auch sehr hoch im Vergleich zu schneefreien Böden, was eine Auskühlung bei Nacht verursacht. Daher sind die Erde und auch die atmosphärische Schicht über einer Schneedecke kälter, vorausgesetzt, dass alle anderen atmosphärischen Bedingungen gleich sind, als ohne. Wenn der Schnee schmilzt, wird durch Verdunstung die Feuchtigkeit der Luft erhöht und kann die Bildung von Wolken und Niederschlag beeinflussen. Durch die Verdunstung wird die Atmosphäre kälter. In den Schneedecken der Berge wird im Winter viel Wasser gebunden, das im Frühling und Sommer für die Wasserversorgung zur Verfügung steht, aber es kann auch in extremen Fällen zu Überschwemmungen führen. Somit ist Schnee ein wichtiger hydrologischer Regelungsfaktor. Neben diesen physikalischen Auswirkungen sind die Schneeverhältnisse und ihre Veränderungen auch von großer Bedeutung für den Wintertourismus und den allgemeinen Straßen-, Schienen- und Luftverkehr. Produkte Im Januar 2013 wurden die Karten auf eine neue Darstellung mit geändertem Ausschnitt und anderer Projektion umgestellt, um ein einheitliches Design für alle Variablen zu erreichen. Daher existieren nun zwei verschiedene Kartendarstellungen für die monatlichen, jahreszeitlichen und jährlichen Schneeraster: eine für den älteren Zeitraum bis Dezember 2012 und eine für den neueren Zeitraum seit Januar Ab September 2017 wurden für die Kartenprodukte als neue Datenquelle Interactive Multisensor Snow and Ice Mapping System (IMS) -Satellitendaten der Schneebedeckung anstelle von interpolierten Stationsdaten eingeführt

2 Derzeit werden folgende Produkte angeboten: Monatliche Karten als Raster- bzw. Eintragungskarten (Punktdaten): - Anzahl der Schneetage (Tage mit Schneedecke): flächendeckend aus Satellitendaten - Mittlere Schneehöhe des Monats: punktweise an Stationen - Maximale Schneehöhe des Monats: punktweise an Stationen Darüber hinaus werden monatliche Tabellen der niedrigsten Schneegrenze und der schneebedeckten Flächen für sieben vordefinierte Subregionen Europas erzeugt, die im monatlichen RA VI RCC Bulletin publiziert werden. Definition der Regionen: - 2 -

3 Alle Produkte für die Subregionen werden jeweils für zwei verschiedene Höhenstufen angeboten: Jährliche Karten (monatlich aktualisiert): - Monat des ersten Auftretens von Schnee in der Saison - Monat des letzten Auftretens von Schnee in der Saison - Dauer der Schneeperiode in Monaten in der Saison Jährliche Daten beziehen sich auf die Schneesaison September bis August. Tägliche Tabellen: - aktuelle Schneehöhe und Prozentsatz vom klimatologischen Mittel (Stationen und o.g. Regionen), - Anzahl der Schneetage seit Beginn der Saison (1. September, Stationen und Regionen), - Schneegrenze (niedrigste Höhenlage mit Schneedecke) für die o.g. Regionen (dies auch als Grafik)

4 Erstes Auftreten von Schnee Letztes Auftreten von Schnee Länge der Schneeperiode Anzahl der Schneetage (IMS) - 4 -

5 Mittlere Schneehöhe (SYNOP) Mittlere Schneehöhe (IMS+SYNOP) Maximale Schneehöhe (SYNOP) Maximale Schneehöhe (IMS+SYNOP) - 5 -

6 Tägliche Schneegrenze - 6 -

7 Anzahl der Schneetage seit Beginn der Schneesaison am 1. September - 7 -

8 Spezifikationen Geographische Region: bis Dezember 2012: WMO RA VI Region (Europa und Naher Osten) und definierte Teilregionen (zur Definition der Teilregionen, siehe oben und ab Januar 2013: Europa (Landgebiete; 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) Räumliche Auflösung: Raster: bis August x0.1 (regelmäßiges Raster), ab September x0.05, Diagramme und Tabellen: definierte Teilregionen und Stationen Zeitliche Auflösung: täglich, monatlich, jährlich Projektion: bis Dezember 2012: Mollweide ab Januar 2013: gedrehtes regelmäßiges Breiten Längengrad-Gitter, virtueller Nordpol: 180 Länge, 38 Nord. Verfügbarkeit: täglich: nur für den aktuellen Tag, andere: 01/1981- heute Aktualisierung: täglich: 8 UTC, monatlich: spätestens am 10. Tag des Folgemonats Format: png (Karten), NetCDF (Rasterdaten), andere Formate auf Nachfrage Einheiten: cm oder Tage Datenquelle Eingabedaten: bis August stg. SYNOP 00, 03, 06,, 21 UTC, ab September 2017 tägliche IMS-Satellitendaten (verschiedene Uhrzeiten je nach Satellit) und 3-stg. SYNOP 03, 06, 12, 18 UTC Referenzwerte: SYNOP (derzeit nur SYNOPs) - 8 -

9 Methodik Kontrolle der Datenqualität und das Anpassen von fehlenden Daten Bis August 2017 wurden alle täglichen SYNOP-Schneehöhenbeobachtungen durch verschiedene Schwellenwertkriterien geprüft und suspekte Werte entfernt. Nach diesem Qualitätscheck wurden fehlende Daten durch zusätzliche SYNOP- Informationen (Schneehöhe des Vortages, tägliche Minimum- und Maximumtemperatur, täglicher Niederschlag) und physikalisch sinnvolle Kriterien ersetzt. Stationen ohne genügend notwendige Informationen wurden verworfen. Daher gab es keine Lücken mehr in den verbleibenden aufgefüllten Stationsdaten. Die immer stärker abnehmende Zahl schneemeldender Stationen hatte zur Folge dass die räumliche Stationsabdeckung der Gebiete für dieses Verfahren nicht mehr ausreichend war. Ungenauere Schätzwerte beim Auffüllen der Lücken, das häufigere Verwerfen von Stationen und dadurch bedingte größere Interpolationsfehler, aber auch größere Ungenauigkeiten durch die zunehmende Automatisierung von Stationsmeldungen führten in einigen Fällen zu einem Qualitätsverlust bei den Kartenprodukten. Daher wurden die Karten ab September 2017 auf eine neue Datenbasis umgestellt. Im Gegensatz zu den Vorjahren werden für die Kartendarstellungen nun IMS-Satellitendaten (s.u.) verwendet, die eine flächendeckende Angabe über die Schneebedeckung liefern. Um auch eine quantitative Aussage zu den Schneehöhen zu erhalten, werden auch weiterhin SYNOP-Daten ausgewertet und geprüft. Suspekte Werte werden weiterhin entfernt, das Auffüllen der Lücken jedoch entfällt. IMS-Satellitendaten Die IMS-Daten der Schneebedeckung werden im National Snow & Ice Data Center (NSIDC) der NOAA produziert. Sie basieren auf vielen gängigen Sensoren und operationellen Satellitenplattformen und zusätzlich auch Stationsdaten. Diese Datenquellen sind im sogenannten Interactive Multisensor Snow and Ice Mapping System (IMS) zusammengefasst. Sie enthalten nur eine Schneebedeckung ja-nein-aussage, aber keine Information über die Schneehöhen. Die Daten liegen für die Nordhemisphäre (Schneebedeckung über Land, Eisbedeckung über dem Meer) seit in täglicher Auflösung in verschiedenen räumlichen Auflösungen und Datenformaten vor. Für das vorliegende Produkt werden nur Daten im o.g. Kartenausschnitt (nur Landdaten) in 4km x 4km Auflösung seit September 2017 im GeoTiff-Format verwendet. Weitere Details können der u.g. Referenz entnommen werden

10 Definition Schneebedeckung/Schneetag Als Schneebedeckung wird bei den Stationsdaten eine Mindestschneehöhe von 1cm definiert, bei den IMS-Daten wenn der entsprechende Schneeerkennungs- Algorithmus einen definierten Grenzwert überschreitet. Ein Schneetag liegt vor, wenn an diesem Tag eine Schneebedeckung gemessen wird. Raster Bis August 2017 wurde auf die SYNOP-Daten zunächst eine mehrdimensionale Regression mit Länge, Breite und Höhe als Prädiktoren angewendet. Die Residuen (Originaldaten minus Regressionsergebnis) sind in der RA-VI-Region mit Radial Basis Funktionen als Interpolationsverfahren interpoliert worden. Nach Anwendung der Regression auf die interpolierten Gitter der Residuen konnte daraus das Gitter der wahren Schneegröße abgeleitet werden. Ab September 2017 werden als Raster-Grundlage ausschließlich die IMS-Daten von der NSIDC-Webseite übernommen. Aus diesen täglichen Schneebedeckungsrastern werden die monatliche Anzahl der Schneetage und der erste und letzte Schneetag sowie die Dauer der Schneesaison errechnet. Für die mittleren und maximalen Schneehöhen liegen ab September 2017 aus Qualitätsgründen keine Raster mehr vor, sondern nur noch Punktwerte von Stationen. Kartenerstellung Für die Monate bis Dezember 2012 wurden aus den Rasterdaten im regelmäßigen 0,1 x0,1 -Gitter mit einem geografischen Informationssystem (ArcGIS) die Karten erstellt. Für den Zeitraum von Januar 2013 bis August 2017 wurden die Rasterdaten wie vorher im gleichen regelmäßigen Gitter mit ArcGIS erstellt und anschließend auf ein gedrehtes regelmäßiges Breiten-Längengrad-Gitter in einer Auflösung von 0,1 x0,1 bilinear interpoliert. Ab September 2017 werden die täglichen IMS-Daten, die in einer Auflösung von 4 km vorliegen, ausgewertet. Für die Kartenerstellung erfolgt wiederum die bilineare Interpolation der Raster mit CDO auf ein gedrehtes regelmäßiges Breiten-Längengrad-Gitter in einer Auflösung von 0,05 x0,05. Anschließend werden die rotierten Gitterpunktdaten mithilfe eines R-Programms als Karte für den Europa-Ausschnitt dargestellt. In den Karten der mittleren und maximalen Schneehöhe werden aus SYNOP-Stationen berechnete Werte als Stationspunkte mit gleicher Farblegende wie für die früheren Karten eingetragen, unterlegt von einer flächendeckenden Darstellung der Schneebedeckung für diejenigen Flächen, auf denen nach den IMS-Daten an mindestens einem Tag im betreffenden Monat Schnee lag. Bei den Karten der Anzahl der Tage mit Schnee,

11 dem ersten und letzten Schneetag und der Dauer der Schneesaison bleibt die Darstellung abgesehen von der veränderten räumlichen Auflösung und Datengrundlage gegenüber den früheren Karten unverändert. Regionale Mittelung Für die oben erwähnten Tabellen und die Diagramme der Schneegrenze werden jeweils Durchschnittswerte für die einzelnen Subregionen verwendet. Diese werden durch Mittelung über alle Stationsdaten berechnet, die im Bereich der definierten Teilregionen liegen. Vieljährige Mittelwerte Für die jährlichen Raster des ersten und letzten Schneetages und der Dauer der Schneeperiode werden auch Mittelwerte für den Zeitraum über die 30 Schneesaisons September 1981 August 2011 angeboten. Dabei wird über die Raster der 30 einzelnen Saisons gemittelt und es werden in gleicher Weise Karten erstellt. Für die o.g. Regionen werden vieljährige Mittelwerte in Tabellenform angeboten: - Mittlere monatliche Anzahl der Tage mit Schneehöhe >=1cm ( ) - Mittlere Andauer der Schneeperiode (Schneedecke >=1cm, ) Qualität/ Anwendung Diese Produkte werden für Klimaüberwachungszwecke erzeugt, z.b. für die großräumige klimatologische Interpretation von Karten und Teilregionen. Daten an einzelnen Punkten können insbesondere vor der Umstellung auf IMS, also vor September 2017 eine hohe Unsicherheit besitzen, weil die Stationsdichte begrenzt ist (ca Stationspunkte werden für monatliche Daten für die ganze Region verwendet) und die Stationen ungleichmäßig in der Fläche verteilt sind. Außerdem werden die Stationsdaten nicht immer auf den Zentimeter genau gemessen und auch das Auffüllverfahren stellt eine gewisse Unsicherheit dar. Gerasterte Daten werden bereitgestellt, sollten aber bei Gebrauch von Einzelpunkten mit Vorsicht interpretiert werden. Ein interner Vergleich der IMS-Produkte mit Stationsdaten, der im DWD kürzlich durchgeführt wurde, zeigt für Europa eine Tendenz zur Überschätzung der Schneebedeckung im Vergleich zu Stationsdaten, die jedoch nicht systematisch

12 auftritt. Jedoch entfallen dafür die o.g. Fehler bei der reinen Stationsdatenbasis, so dass für den Zeitraum ab September 2017 insgesamt eine bessere Qualität zu erwarten ist. Durch die grundlegende Datenumstellung ab September 2017, aber auch durch Änderungen der Eingangsdatenbasis im Lauf der Jahre sowohl bei den Stationsals auch bei den Satellitendaten, sind die Produkte zeitlich inhomogen. Von zeitlichen Trenduntersuchungen an einzelnen Rasterpunkten muss daher dringend abgeraten werden. Speziell bei den Eintragungskarten der mittleren und maximalen Schneehöhe ist darüber hinaus zu beachten: Einzelne isolierte Bergstationen können Schneehöhen melden, obwohl sie bei der Anzahl der Tage mit Schnee von den Satellitenbeobachtungen wegen der begrenzten räumlichen Auflösung der Satellitenpixel nicht erfasst werden. Für diejenigen Stationen, an denen nicht an allen Tagen im Monat eine Schneehöhe gemeldet wird, werden auch keine mittleren Schneehöhen als Punkte dargestellt. Dadurch kann vor allem in den Übergangsjahreszeiten die Anzahl der Stationspunkte sehr gering ausfallen, da viele Stationen - Fehlkennungen melden, wenn kein Schnee beobachtet wird. Die maximalen Schneehöhen werden auch bei unvollständigen Meldungen dargestellt; dort besteht aber ein Restrisiko, dass an Tagen ohne Meldungen die Schneehöhe evtl. noch größer war. Trotz Qualitätsprüfung können leider nicht alle Fehler in den Eingangsdaten der Stationen eliminiert werden, so dass einzelne Restfehler bei den Stationseintragungen nicht ausgeschlossen werden können

13 Referenzen Eine Revision der Methode bis August 2017 wird derzeit noch diskutiert, so dass hierzu noch keine zitierfähige Referenz vorliegt. IMS-Datensatz: National Ice Center. 2008, täglich aktualisiert. IMS Daily Northern Hemisphere Snow and Ice Analysis at 1 km, 4 km, and 24 km Resolutions, Version 1. Boulder, Colorado USA: NSIDC: National Snow and Ice Data Center. doi: Stand: September Versionsgeschichte Version Datum Beschreibung der Änderung Erste operationelle Version. Seitdem sind einige Überprüfungen hinsichtlich Qualität und Anpassung fehlender Daten eingeführt worden

14 Version Datum Beschreibung der Änderung Tagesdaten als neues Produkt Neuer Kartenausschnitt Einige jährliche Produkte entfernt, da in Überarbeitung und momentan nicht verfügbar Anpassung wegen Umstellung auf IMS-Satellitenprodukte Kontakt Deutscher Wetterdienst RCC Node-CM (WMO RA VI) Frankfurter Str Offenbach Deutschland Letzte Aktualisierung: