27. Januar 2003 Kolloquium Phänologie 1

Räumliche Modellierung von phänologischen Daten: Qualitätskontrolle

und Datenanalyse

Andreas Hense

Meteorologisches Institut

Universität Bonn

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Überblick

• Motivation• Methodik• Ergebnisse • Zusammenfassung

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Motivation

• Netz freiwilliger Beobachter des DWD seit 1951 (siehe Meteorologischer Kalender 2003)– keine langen Zeitreihen– räumlich inhomogen– Repräsentativität

• kein Problem der Beobachter !• Die Dichte des Netzes erlaubt Korrekturen• Korrekturen: Qualitätskontrolle und

Homogenisierung

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Methode

• Räumliche Modellierung• Gitterpunktsanalyse: Homogenisierung

– Mittelwert 1951-2001 durch Regression mit unabhängigen Variablen

– Anomalie für jedes Jahr durch 2-d Variationelle Analyse (2d-Var)

• Qualitätskontrolle– durch Kreuzvalidation: „Lasse eine Station

weg“

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Daten, Stichprobenentnahme,Stichprobenfehler

Modellierung der jährliche Anomalien, Modellfehler

Modellierung des Mittelwert 1951-2001, Modellfehler

Unscharfe Koeffizienten

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Daten

• Entnommen der Phänologie-Datenbank des DWD• Beispiel Sommerlinde • im Gebiet 6° E bis 10° E und 50°N bis 54°• zwischen 1951 und 2001• etwa 300-700 Beobachter pro Jahr• ca. 29000 Beobachtungen

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Modellierung des Mittelwertes 1951-2001

• Orographie: digitales Geländemodell 1/12° x 1/12° Auflösung und Höhe der Beobachter

• solare Einstrahlung, geographische Breite linear und quadratisch und geog. Breite des Beobachter

• Abstand vom Meer: geographische Länge linear und quadratisch und geogr. Länge der Beobachter

• Urbanität: Bevölkerungsdichte 1/12° x 1/12° und interpoliert auf den Beobachter

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Mittelwert 1951-2001

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Mittelwert 1951-2002

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Mittelwert Blühdatum Sommerlinde 1951-2001

-4-3-2-10123456

Blü

hdat

umsä

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[Tag

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it]

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Erste Qualitätskontrolle

• Repräsentativität in der Höhe– Stationshöhe vs. Digitales Höhenmodell

• grobe Abweichungen vom Mittelwert– |Beobachtung - Mittelwert| > 3 (Mittelwert)

• etwa 5% der Beobachtungen erfüllen die Bedingungen nicht– Höhenabweichungen korrigierbar – grobe Abweichungen: 270 statt 170

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Analyse der jährlichen Anomalien vom Mittelwert

• Variationelle Formulierung (2-d Var)• Reduktion der Dimension (Anzahl der

Gitterpunkte) durch vorgegebene Muster V

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Zweite Qualitätskontrolle

• Kreuzvalidation– lasse eine Beobachtung weg– berechne diese Beobachtung aus den anderen

mit Hilfe der variationellen Analyse– |Beobachtung - Berechnung| > 20/15 Tage– nicht repräsentative Station– etwa weitere 10% der Beobachtungen

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Zeitreihe des Gebietsmittels 1951-2001

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Anomaliefeld eines extremen Jahres (1993)

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Anomaliefeld eines extremen Jahres (1962)

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Zusammenfassung

• Mittels Techniken der Numerischen Analyse– automatische Qualitätskontrolle– Homogenisierung in Raum und Zeit– Gitterpunkte mit repräsentativen Flächenwerten

• Grundlagen für– weitere Modellierung– Überwachung und Klimawirkungsforschung– Vergleiche mit Satellitenbeobachtungen