C3-WP3 - Ensemblegenerierung

Zielsetzung des Projektes

Das Arbeitspaketes C3-WP3 „Ensemble Generierung“ ist Teil des MiKlip II Moduls C „Regionalisierte dekadische Vorhersagen“.  Ziel des Arbeitspaketes ist es, einen hinreichenden Satz von dynamisch regionalisierten dekadischen Hindcast-Simulationen zu erzeugen, von dem Empfehlungen für die Zusammensetzung eines für ein operationelles Vorhersagesystem geeignetes Ensemble abgeleitet werden können. Zu diesem Zweck wird das aus der Phase I von MiKlip bereits existierende Ensemble zum einen durch neue Simulationen mit räumlichen Auflösungen von 0.22° und 0.0625°), zum anderen durch Simulationen mit einem anderen Boden-Vegetationsmodell sowie durch Variationen physikalischer Modellparameter („perturbed physics“) erweitert. Die Simulationen werden mit dem regionalen Klimamodell (RCM: Regional Climate Model) COSMO-CLM (CCLM) in der EURO CORDEX Region für Dekaden im Zeitraum 1961 bis 2015 durchgeführt. Die vollständige Hindcast-Periode wird berücksichtigt um der inter-dekadischen Variabilität Rechnung zu tragen und um die Robustheit der Analysen zu untersuchen. Als Endergebnis wird ein robustes und zuverlässiges Ensemble moderater Größe für das operationelle System angestrebt, das eine Balance zwischen wissenschaftlichen Kriterien (Zuverlässigkeit, Genauigkeit) und praktischen Aspekten (Berechnungszeit-und Kosten) erfüllt. Außerdem müssen die Vorhersagen mit dem endgültigen regionalen Ensemble einen Mehrwert gegenüber den globalen Vorhersagen aufweisen. Die Arbeiten werden in Kooperation zwischen IMK-TRO/KIT und dem Deutschen Wetterdienst (DWD) erfolgen.

Struktur des Projektes

Das Arbeitspaket C3-WP3 ist in fünf Aufgabenbereiche unterteilt:

Aufgabenstellung des Projektes


AufgabeC3-3.1: Generierung des grundlegenden regionalen Hindcast Ensembles
Erweiterung des existierenden dekadischen Ensembles
a)    durch Regionalisierung mit einer räumlichen Auflösung von 0.22° von dekadischen MPI-ESM Hindcast Ensembles, die durch Störung der Anfangsbedingungen generiert wurden, um den Einfluss der inter-dekadischen Variabilität auf statistische Ensemble Metriken zu analysieren,
b)    und, basierend auf Erkenntnissen aus MiKlip I, durch erweiterte Methoden zur Variation von physikalischen Modellparameter

Aufgabe C3-3.2: Erzeugung hoch aufgelöster Ensemblemitglieder

Für ausgewählte Dekaden und Realisierungen des MPI-ESM Ensembles werden hoch aufgelöste Simulationen mit einer horizontalen Gitterweite von 0.0625° durchgeführt, gefolgt von einer Analyse des Mehrwertes der höheren Auflösung und des Einflusses auf die statistischen Metriken, insbesondere zur Beschreibung von Extremen.

Aufgabe C3-3.3: Erzeugung von Ensemblemitglieder durch Verwendung alternativer Boden-Vegetations-Modelle und/oder gekoppelter Ozeanmodelle
In Kooperation mit dem Arbeitspaket C1-WP2 “Boden- und Vegetationsprozesse” werden für ausgewählte Dekaden und Realisierungen Simulationen durchgeführt, bei denen das Standardschema “TERRA” des CCLM zur Beschreibung der Wechselwirkungen zwischen Boden-Vegetation- und Atmosphäre, solche Modelle werden als SVAT (Soil-Vegetation-Atmosphere-Transfer) Modell bezeichnet, durch das aufwändigere SVAT „Veg3D“ ersetzt wird. Des Weiteren werden Simulationen mit einem gekoppelten Ozeanmodell, die vom Arbeitspaket C1-WP1zur Verfügung gestellt werden, in das regionale Ensemble integriert und analog zur Aufgabe C3-3.2 analysiert.

Aufgabe C3-3.4: Sehr hoch aufgelöste Simulationen
In Abhängigkeit vom Gesamtfortschritt des Arbeitspaketes und von der Verfügbarkeit von Rechenzeit sind für eine Region in Zentraleuropa Simulationen mit der sehr hohen Auflösung von 0.0025° und die Analyse ihres Mehrwertes vorgesehen. Diese hohe Auflösung erlaubt es, konvektive Prozesse direkt zu betrachten ohne dass sie parametrisiert werden müssen.

Aufgabe C3-3.5: Gesamtbewertung-, Analyse-, und Optimierung des Ensembles
Diese Aufgabe stellt die Synthese des Arbeitspakets C3-WP3 dar. Die unterschiedlichen Zusammensetzungen des Ensembles werden über verschiedene Dekaden analysiert, um die inter-dekadische und intra-ensemble Variabilität abzuschätzen, wobei die Größe und Qualität des Ensembles maßgebende Kriterien sind. Das Ziel dabei ist, Empfehlungen für eine optimale Größe und Zusammensetzung des Ensembles abzuleiten, wobei wissenschaftlich, technische und rechenzeiteffiziente Aspekte berücksichtigt werden. Diese Aufgabe wird in Kooperation mit den Arbeitspaketen C3-WP1, „Post-Prozessierung“, und C3-WP2, „Optimierte Ensemble Charakteristik“ durchgeführt.

Zu liefernde Ergebnisse des Projektes

  • umfassende dekadische Ensemblematrix mit einer räumlichen Auflösung von 0.22°
  • Für ausgewählte Dekaden Erzeugung von Ensemblemitgliedern in hoher (0.0625°) und sehr hoher (0.0025°) räumlicher Auflösung
  • Für ausgewählte Dekaden Erzeugung von Ensemblemitgliedern durch Anwendung eines aufwändigeren SVATS und/oder eines gekoppelten Ozeanmodells
  • Synthese der Aufgaben 3.1 bis 3.4 um Empfehlungen für eine optimale Größe und Zusammensetzung des Ensembles abzuleiten

Projektfortschritte

Das Modell CCLM wurde auf dem neuen Höchstleistungsrechner „MISTRAL“ am Deutschen Klimarechenzentrum (DKRZ) implementiert und sorgfältig getestet. Ein Vergleich von Modellergebnissen, die während MiKlip I auf dem alten Rechensystem „BLIZZARD“ des DKRZ erzeugt wurden, mit denen von der neuen Maschine, machte deutlich, dass der Einfluss des Rechners auf die Ergebnisse des CCLM vernachlässigbar ist. Das wurde durch eine Wiederholung von Referenzsimulationen mit ERA-Interim Antrieb, die zuvor auf der „BLIZZARD“ vorgenommen worden waren, verdeutlicht. Abb. 2 vergleicht die mittleren Jahresgänge der monatlichen 2 m Temperature und der Monatssummen des Niederschlags in der Region Mitteleuropa (ME). Rote Linien zeigen die Ergebnisse aus MiKlip I, die vom alten Rechner „BLIZZARD“ stammen, blaue Linien die Ergebnisse der Rechnungen auf der „MISTARL“. Ein zusätzlicher Vergleich mit Beobachtungsdaten, hier E-OBS Version 11, ließ ebenfalls keine nennenswerten Änderungen in der Qualität der Ergebnisse aufgrund des Wechsels des Rechners erkennen (Fig. 3).

C3-Wp3 Abb.1
Abbildung 1: Modellgebiet für die dekadischen CCLM Simulationen im Projekt MiKlip und seine Orographie. Rote Boxen repräsentieren die Lage von 8 Unterregionen, die im Allgemeinen bei Standardanalysen betrachtet werden.
C3-WP3. Fig 2a
Abbildung 2a.: Vergleich der mittleren Jahresgänge der mittleren Monatstemperatur in 2 m Höhe in der Region Mitteleuropa (ME, siehe Abb. 1)

C3-WP3. Fig 2b
Abbildung 2b.: Vergleich der mittleren Jahresgänge der mittleren Monatssumme des Niederschlags in der Region Mitteleuropa (ME, siehe Abb. 1)

C3-Wp3 - Abb. 3a
Abbildung 3a.:Wurzel der mittleren Fehlerquadratsumme (engl: Root Mean Square Error, RMSE) der gerechneten mittleren Monatstemperatur relativ zu E-OBS Beobachtungsdaten in 8 verschiedenen Regionen des Modellgebietes (siehe Abb. 1)

C3-Wp3 - Abb. 3a
Abbildung 3b.:Wurzel der mittleren Fehlerquadratsumme (engl: Root Mean Square Error, RMSE) des mittleren Monatsniederschlags relativ zu E-OBS Beobachtungsdaten in 8 verschiedenen Regionen des Modellgebietes (siehe Abb. 1)

The existing members of the MiKlip II MPI-ESM-HR preop hindcast ensemble have been downscaled with CCLM for the starting years 1960 – 2016 as well as the decadal forecast 2017. In addition, the necessary reference simulations (ERA-driven and un-initialized MPI-ESM-HR driven) have been provided as well. A preliminary analysis showed comparable skill to baseline1 for most variables. The ensemble generation will be continued in line with the global hindcast system.