Ανάπτυξη μεθοδολογίας για την αξιολόγηση προγνωστικών πεδίων βροχόπτωσης υψηλής χωρικής ανάλυσης σε πολύπλοκο ανάγλυφο με τη χρήση ρεαλιστικών πλεγματικών παρατηρήσεων

Abstract

Verification of precipitation forecasts is a very challenging task. High-resolution models are able to produce more detailed precipitation structures, but their primary benefit lies in delivering more realistic fields rather than the information provided for a specific grid point. Spatial verification methods generally reward closeness or resemblance by relaxing the requirement for exact matches between forecasts and observations that is the cause of double penalty errors in traditional approaches. Spatial precipitation fields derived from numerical weather prediction (NWP) model output are produced in the form of grids. In order to assess their accuracy with spatial verification methods, it is necessary to transpose any available observations (ground stations, radar products, satellite estimates) to the same grid. The challenge is to overcome the lack of density of observations in both time and space to accurately represent the highly variable nature of precipitation. In this thesis, the MISH (Meteorological Interpolation based on Surface Homogenized Data Basis) method is used to estimate the distribution of precipitation on both hourly and daily timescales. The idea behind the MISH interpolation scheme stems from the principles that gridded data can be created at higher quality when correlated with certain climate statistical parameters (geophysical characteristics), which can be modelled using long climate data series. The modelling of the statistical parameters for a given location is based on the long-term homogenized monthly data of neighbouring stations. In order to better exploit the information from stations neighbouring each grid point, remote sensing precipitation estimates are added as background information, which is evaluated in combination with the interpolated value. Subsequently, the precipitation forecasts are assessed using various spatial methods in an effort to identify the ability of each verification approach to provide distinctly useful information on model performance. The methods chosen represent different approaches in model evaluation strategy, such as that of neighborhood or fuzzy, scale separation and object-oriented techniques. Model output of the limited area COSMO model at two different resolutions is compared to the gridded precipitation fields created by MISH for four different test cases over Greece in an effort to obtain answers to questions related to their performance at different scales, to their location errors, intensity errors and distributions and to the precipitation forecast structure errors. Finally, the development of an integrated verification system for precipitation forecasts is proposed that meets the requirements of an operational system. The evaluation framework can flexibly incorporate all available observation sources and meet the needs of a wide range of users based on the various statistical approaches it applies. The system is adapted to the specificities of the Greek territory, consequently it can provide sufficient feedback on the performance of very high resolution NWP models in areas with extreme topography where in situ observations are too limited to accurately represent the phenomena.

Τα αριθμητικά μοντέλα πρόγνωσης υψηλής ανάλυσης είναι σε θέση να παράγουν λεπτομερή δομή στα πεδία βροχόπτωσης, αλλά το βασικό τους όφελος έγκειται στην παροχή πιο ρεαλιστικών χωροχρονικών απεικονίσεων και όχι στις πληροφορίες που παρέχονται για ένα συγκεκριμένο σημείο του πλέγματος. Η επαλήθευση των αριθμητικών προγνώσεων βροχόπτωσης είναι απαραίτητη και απαιτητική διαδικασία. Οι μέθοδοι χωρικής επαλήθευσης γενικά ανταμείβουν την εγγύτητα ή την ομοιότητα μεταξύ των πεδίων πρόγνωσης-παρατήρησης, χαλαρώνοντας την απαίτηση για ακριβή αντιστοίχισή που είναι η αιτία του διπλού σφάλματος στις παραδοσιακές προσεγγίσεις αξιολόγησης. Τα χωρικά πεδία βροχόπτωσης που προέρχονται από τα αριθμητικά μοντέλα αριθμητικής πρόγνωσης παράγονται με μορφή πλέγματος. Για να εκτιμηθεί η ακρίβειά τους με μεθόδους χωρικής επαλήθευσης, είναι απαραίτητο όλες οι διαθέσιμες παρατηρήσεις (σταθμοί επιφανείας, προϊόντα ραντάρ, δορυφορικές εκτιμήσεις) να δίνονται επίσης σε πλέγμα αντίστοιχης χωρικής και χρονικής ανάλυσης. Η πρόκληση συνεπώς είναι να αντιμετωπιστεί η αδιαμφισβήτητη έλλειψη της πυκνότητας επίγειων παρατηρήσεων που είναι εξαιρετικής σημασίας για τη μεταβλητή φύση της παραμέτρου, με τη χρήση και άλλων πηγών παρατήρησης αλλά και την εφαρμογή της κατάλληλης μεθοδολογίας κατά την παραγωγή ρεαλιστικών απεικονίσεων της πραγματικότητας. Σε αυτή τη διατριβή, η μέθοδος MISH (Meteorological Interpolation based on Surface Homogenized Data Basis) χρησιμοποιείται για την εκτίμηση της χωρικής κατανομής της βροχόπτωσης σε ημερήσια ή ωριαία χρονική κλίμακα. Το σύστημα παρεμβολής MISH βασίζεται στην αρχή ότι πλεγματικά δεδομένα υψηλής ακρίβειας μπορούν να δημιουργηθούν από παρατηρήσεις και κλιματολογικές στατιστικές παραμέτρους που προκύπτουν με τη συσχέτιση με γεωφυσικά χαρακτηριστικά της περιοχής ενδιαφέροντος, και αυτές οι παράμετροι μπορούν να προτυποποιηθούν χρησιμοποιώντας μεγάλες χρονοσειρές δεδομένων βροχόπτωσης. Στην ακολουθούμενη διαδικασία, η μοντελοποίηση των στατιστικών παραμέτρων για μια δεδομένη περιοχή βασίζεται σε μακροπρόθεσμα ομογενοποιημένα μηνιαία δεδομένα βροχόπτωσης γειτονικών σταθμών. Προκειμένου να αξιοποιηθούν καλύτερα οι πληροφορίες από σταθμούς που γειτνιάζουν με κάθε σημείο του πλέγματος, εκτιμήσεις υετού από δορυφόρους ή ραντάρ προστίθενται ως πληροφορίες υποβάθρου και τα πεδία βροχόπτωσης που προκύπτουν αξιολογούνται σε συνδυασμό με την παρεμβαλλόμενη τιμή. Οι προγνώσεις υετού στη συνέχεια αξιολογούνται χρησιμοποιώντας διάφορες χωρικές μεθόδους επαλήθευσης, σε μια προσπάθεια διερεύνησης της ικανότητας κάθε προσέγγισης να παρέχει χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με την απόδοση του μοντέλου. Οι επιλεγμένες μέθοδοι στη διατριβή αυτή, αντιπροσωπεύουν διαφορετικές προσεγγίσεις στην στρατηγική αξιολόγησης του μοντέλου και περιλαμβάνουν την προσέγγιση γειτνίασης, την προσέγγιση διαχωρισμού κλίμακας καθώς και την προσέγγιση εντοπισμού αντικειμένων στο πεδίο της βροχόπτωσης. Προγνώσεις του αριθμητικού μοντέλου COSMO υψηλής χωρικής ανάλυσης, συγκρίνονται με τα πεδία παρατηρήσεων που δημιουργήθηκαν από την μέθοδο MISH για τέσσερις καιρικά επεισόδια που επηρέασαν τον ελληνικό χώρο. Στόχος είναι να αναδειχτούν χαρακτηριστικά που σχετίζονται με την απόδοσή των προγνώσεων σε διαφορετικές χωρικές κλίμακες, σφάλματα τοποθέτησης των βροχοφόρων συστημάτων, αποκλίσεις στην ένταση και στην κατανομή του υετού καθώς και σε δεδομένα που αφορούν χαρακτηριστικά της δομής της παραμέτρου στο πεδίο. Τέλος, με τη διατριβή αυτή προτείνεται η ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου συστήματος επαλήθευσης για τις προγνώσεις βροχόπτωσης που (α) καλύπτει τις προϋποθέσεις ενός επιχειρησιακού συστήματος, (β) βασίζεται σε όλες τις διαθέσιμες πηγές παρατήρησης με ευελιξία στη χρήση τους, (γ) δίνει τη δυνατότητα χρήσης διαφορετικών μεθόδων χωρικής επαλήθευσης και (δ) είναι ταυτόχρονα προσανατολισμένο να καλύπτει τις ανάγκες διαφορετικών χρηστών. Το σύστημα είναι προσαρμοσμένο στις ανάγκες της ελληνικής επικράτειας, δηλαδή είναι τέτοιο που μπορεί να παρέχει επαρκείς πληροφορίες για την επιδεξιότητα ενός αριθμητικού μοντέλου πολύ υψηλής ανάλυσης σε περιοχές με έντονο ανάγλυφο και με μη επαρκείς πηγές παρατηρήσεων.