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Weihnachten 2002: Was leisteten die GFS-Ensembles?

Geschrieben von: Wetterfuchs
Datum: 3. Januar 2005, 20:19 Uhr


Bei der derzeitigen Diskussion über die mögliche Weihnachtswetterlage werden nicht nur die Ergebnisse des jeweils bis +16 Tage reichenden GFS-Hauptlaufes erörtert, sondern auch die Aussagen der Ensemble-Prognosen dieses Modells. Die deutlichen Grenzen von Prognosen über 5-7 Tage hinaus habe ich in mehreren Verifikations-Postings zu GFS für konkrete Fälle im Frühjahr und der jüngsten Vergangenheit vorgestellt. Die Frage stellt sich nun fast automatisch : Können Ensemble-Prognosen die Fehlerquote verkleinern ? Ensemble-Prognosen gehen von leicht variierten Anfangsfeldern aus und versuchen auf diese Weise, die Schwankungsbreite der Fehler der Prognosen auszuloten und möglicherweise auch einzugrenzen. Deshalb wird heutzutage empfohlen, nicht nur auf den Hauptlauf zu schauen, sondern zu sehen, was die einzelnen Ensembles oder auch das Ensemble-Mittel an Ergebnis liefern.

Verifikationen zu Ensemble-Prognosen sind sehr viel mühsamer als die Verifikation eines einzelnen (Haupt-) Laufes, so liegen auch kaum Ergebnisse vor. Die Fragen, die man stellen könnte, sind : Wie verhält sich die spätere Analyse eines Feldes zu den Prognosen der einzelnen Ensemble-Mitgliedern? Liegt die spätere Analyse innerhalb der Schwankungsbreite der verschiedenen Ensembles? Kann man über die Streuung der Ensembles etwas über die Sicherheit der Haupt-Prognose erfahren? Was wissen wir über die Güte gemittelter Ensemble-Prognosen relativ zur Güte des Hauptlaufs? Bei all diesen Fragen steht im Hintergrund die Tatsache, daß der jeweilige Hauptlauf (und somit das Haupt-Modell) über die beste physikalische Ausstattung verfügt. Die Ensemble-Läufe werden (aus Gründen der Rechner-Kapazität) stets mit etwas vereinfachten Modell-Versionen gerechnet.

Die genannten Fragen beschäftigen mich seit längerem. Wegen der momentanen Weihnachtswetterdiskussion habe ich eine Aufarbeitung hervorgeholt, die ich schon vor 2 Jahren im Rahmen der damaligen Prognosen für Weihnachten durchführte, aber damals in keinem Posting darüber berichtete. Trotz des zeitlichen Abstandes werden die Aussagen der damaligen Verifikation im wesentlichen heute noch Gültigkeit haben. Ich möchte sie nachfolgend präsentieren, um die damaligen Erkenntnisse für die derzeitige Prognosesituation für das Forum nützlich zu machen. Die Aufbereitung der Daten bestand in folgenden Schritten :

1. Untersuchung der lokalen 850 hPa-Temperaturprognosen des Standortes Hamburg mit Hilfe der Ensemble-Meteogramme der 00 UTC-Läufe zwischen dem 09.12.02 und 26.12.02 . Dies ergab 18 Temperaturprognose-Serien, jeweils gültig vom 1. bis zum 16. Prognosetag. Z.B. deckte die letzte Serie also die Zeit vom 27.12.02 bis zum 11.01.03 ab.
2. In jedes 850 hPa-Meteogramm wurde für jeden Prognosetag die später analysierte 850 hPa-Temperatur (entnommen dem jeweiligen Startwert Hauptlauf der Temperaturserien) eingetragen. Somit hatte man ein optisch leicht zu beurteilendes Verifikationsbild.
3. Die absoluten Abweichungen von Hauptlauf bzw. Mittelwert von 11 Ensembles + Hauptlauf (Ensemble-Mittel) vom Analyse-Wert wurden statistisch ausgewertet, um auch ein objektives Bilder der Verifikation zu erhalten.

Hier nun zunächst graphisch dargestellt alle 18 Ensemble-Temperatur-Prognosen 850 hPa für Hamburg, zusammen mit den manuell eingetragenen Analyse-Werten. Die einzeln en Ensembles erscheinen als dünnere Linien in verschiedenen Farben, der Hauptlauf wird durch eine dickere blaue Linie verkörpert und das Ensemble-Mittel als dickere weiße Linie. Die manuell eingetragenen Analysewerte erscheinen als weiße Quadrate (zentraler Wert gleich Analyse-Wert). Die beiden roten Quadrate geben die Analyse-Werte der beiden Weihnachtstage 25.12.02 und 26.12.02 wieder :

850 hPa Ensemble-Temperatur-Prognosen Hamburg, Lauf 09.12.02 00 UTC :

850 hPa Ensemble-Temperatur-Prognosen Hamburg, Lauf 10.12.02 00 UTC :

850 hPa Ensemble-Temperatur-Prognosen Hamburg, Lauf 11.12.02 00 UTC :

850 hPa Ensemble-Temperatur-Prognosen Hamburg, Lauf 12.12.02 00 UTC :

850 hPa Ensemble-Temperatur-Prognosen Hamburg, Lauf 13.12.02 00 UTC :

850 hPa Ensemble-Temperatur-Prognosen Hamburg, Lauf 14.12.02 00 UTC :

850 hPa Ensemble-Temperatur-Prognosen Hamburg, Lauf 15.12.02 00 UTC :

850 hPa Ensemble-Temperatur-Prognosen Hamburg, Lauf 16.12.02 00 UTC :

850 hPa Ensemble-Temperatur-Prognosen Hamburg, Lauf 17.12.02 00 UTC :

850 hPa Ensemble-Temperatur-Prognosen Hamburg, Lauf 18.12.02 00 UTC :

850 hPa Ensemble-Temperatur-Prognosen Hamburg, Lauf 19.12.02 00 UTC :

850 hPa Ensemble-Temperatur-Prognosen Hamburg, Lauf 20.12.02 00 UTC :

850 hPa Ensemble-Temperatur-Prognosen Hamburg, Lauf 21.12.02 00 UTC :


850 hPa Ensemble-Temperatur-Prognosen Hamburg, Lauf 22.12.02 00 UTC :

850 hPa Ensemble-Temperatur-Prognosen Hamburg, Lauf 23.12.02 00 UTC :

850 hPa Ensemble-Temperatur-Prognosen Hamburg, Lauf 24.12.02 00 UTC :

850 hPa Ensemble-Temperatur-Prognosen Hamburg, Lauf 25.12.02 00 UTC :

850 hPa Ensemble-Temperatur-Prognosen Hamburg, Lauf 26.12.02 00 UTC :

Beim Blick auf die ganzen Serien bestätigen die Temperaturkurven zunächst die Regel , daß mit zunehmender Vorhersagezeit die Streuung der Temperaturwerte anwächst, wodurch das typische Bild einer „Rauchwolke“ entstand. Die qualitative Auswertung der Verifikation läßt sich zu folgenden Ergebnissen zusammenfassen :

1. Die Temperatur-Prognosen 850 hPa für die ersten 3-4 Tage waren im allgemeinen noch recht gut, was auch für die jeweiligen Temperaturtrends in der Prognose galt.
2. Die Fehler der weiter in die Zukunft führenden Prognosen wuchsen dann bis in den klassischen Mittelfristbereich an. Die mittleren Fehler des erweiterten Mittelfristbereichs nahmen häufig nicht weiter zu. Allerdings kam es teilweise zu erheblichen einzelnen „Ausreißern“ neben andererseits auch einzelnen guten Prognosen.
3. Die zunehmende Streuung der Prognosen bildete sich also nur teilweise auch in zunehmend schlechteren Ergebnissen ab. Die Prognosen des Hauptlaufes verhielten sich dabei in ihren maximalen Fehlern insbesondere im späteren Prognoseverlauf deutlich extremer als die Ensemble-Mittelwerte.
4. Die Richtung von Mehrtages-Temperaturtrends der Prognosen wich etwa ab dem 7—8. Prognosetag wiederholt stärker vom Trend der Analysewerte der 850 hPa-Temperatur ab. D.h. im späteren Vorhersagebereich konnte man nicht mehr auf die vorgegebenen Mehrtages-Trends der Temperaturprognosen bauen.
5. Einige der Analyse-Werte der Temperatur lagen außerhalb der „Rauchfahne“ der Temperaturprognosen, auch unabhängig davon, ob es sich um Kurzfrist-, Mittelfrist- oder erweiterte Mittelfristprognosen handelte. Die Zahl der „Ausreißer“ der Analyse-Werte aus der Prognose-„Wolke“ schwankte pro Serie zwischen 0 und 5 und lag im Mittel bei 2.8 (17.5% der Termine).
6. Interessanterweise lagen die 850 hPa-Temperaturprognosen für die beiden Weihnachtsfeiertage (25./26.12.02) in Hauptlauf und Ensemble-Mittelwert bis zum Schluß ununterbrochen zu niedrig. D.h. Weihnachten wurde anhaltend zu kalt prognostiziert.

Um die vorstehenden qualitativen Ergebnisse weiter quantitativ abzusichern, abschließend ein Diagramm mit 4 statistischen Auswertungen zur Verifikation. Ausgewertet wurden die Mittelwerte der absoluten Fehler von Hauptlauf und Ensemble-Mittel für jeden Prognosetag von Prognosetag 1 bis Prognosetag 16 und die jeweils aufgetretenen Extremwerte der absoluten Fehler :

Statistische Auswertung der Prognosefehler von Hauptlauf und Ensemble-Mittel :

Die grünen Kurven geben den mittleren absoluten Fehler beim Hauptlauf (dunkel-grün) und Ensemble-Mittel (hell-grün) wieder. Die beiden roten Kurven beschreiben die Maximalwerte der absoluten Fehler bei Hauptlauf (dunkel-rot) und Ensemble-Mittel (orange).

Die 4 Kurven lassen sich folgendermaßen interpretieren :

1. Sowohl die mittleren als auch maximal aufgetretenen Fehler wuchsen ab dem 3. Prognosetag deutlich an mit einem ersten Maximum für den 5.-6.Prognosetag. Danach blieb bis etwa den 10.Prognosetag bei den Ensemble-Mitteln und beim Extremum der Fehler des Ensemble-Mittels der Fehlerwert weitgehend konstant, um zum Schluß noch einmal leicht anzusteigen.
2. Die mittleren absoluten 850 hPa-Temperatur-Fehler bei Hauptlauf und Ensemble-Mittel unterschieden sich bis zum 4.Prognosetag praktisch gar nicht, d.h. die Betrachtung des Ensemble-Mittels bis zu dieser Zeit hätte im Mittel keine Vorteile gebracht.
3. Ab dem 6.Prognose-Tag war der mittlere Fehler beim Ensemble-Mittel dann um 1-2 K geringer als beim Hauptlauf.
4. Der maximale Fehler für die einzelnen Prognosetage stieg beim Ensemble-Mittel bis zum 5. Prognosetag auf 7 K an und steigerte sich ab dem 10.Prognosetag auf Werte zwischen 8 und 11 K.
5. Sehr viel extremer war das maximale Fehlerverhalten des Hauptlaufes, das am 5.Prognosetag schon 10 K erreichte und später zwischen 12 K und fast 20 K lag.

Für die Nutzung der Ensemble-Prognosen ergibt sich aus der vorstehenden quantitativen Auswertung zweierlei :

1. Das Ensemble-Mittel kann im Durchschnitt den absoluten Fehler verglichen mit dem Fehler des Hauptlaufes verkleinern.
2. Noch deutlicher vermindert wird das Risiko einer totalen Fehlvorhersage bei Nutzung des Ensemble-Mittels. Das Ensemble-Mittel weist erheblich kleinere „Ausreißer“ auf.

Ein Eindruck, den man aufgrund dieser quantitativen Ergebnisse vielleicht haben könnte, ist sicher falsch : Der Hauptlauf macht, soweit man das qualitativ überblicken kann, nicht etwa größere Fehler als die einzelnen Ensemble-Läufe. Auch die Ensemble-Läufe weisen teilweise extreme Abweichungen auf. Nur mitteln sich die Fehler der einzelnen Ensembles beim Ensemble-Mittel etwas aus. Nur dadurch erhält man mit dem Ensemble-Mittel bessere Resultate.

Wetterfuchs

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