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Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Object-Oriented Best Member Selection in a Regional Ensemble Forecasting System Christian Keil and George Craig Institut für Physik der Atmosphäre DLR Oberpfaffenhofen, Germany

Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Object-Oriented Best Member Selection in a Regional Ensemble Forecasting System Christian

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Institut für

Physik der Atmosphäre

Institut für

Physik der Atmosphäre

Object-Oriented Best Member Selection in a

Regional Ensemble Forecasting System

Christian Keil and George Craig

Institut für Physik der AtmosphäreDLR Oberpfaffenhofen, Germany

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Regional Ensemble Prediction System

COSMO-LEPS regional ensemble (ARPA SMR)

1. Identify ten clusters from ECMWF 51 member ensemble2. Use a representative member from each cluster to drive a

regional model (DWD Lokal Model)

To make use of forecast ensemble, need to weight members equally probable use cluster populations, or use most recent data (e.g. satellite imagery)

But, for local severe weather, phase errors may dominate, so use a nonlinear pattern recognition algorithm

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Main components:1. COSMO-LEPS: based on ECMWF EPS providing initial

and boundary conditions and Lokal-Modell (LM Δx=7km)

2. LMSynSat: forward operator to compute synthetic satellite imagery in LM

3. Objective Pattern Recognition Algorithm using Pyramidal Image Matching

Regional Ensemble Prediction System

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Clustering of 1 EPSs fc range +48..60h (2002070912-00)using 4 discriminating variables at 3 pressure levels(u,v,Φ,q at 500/700/850 hPa):

Clustering method -----> COMPLETE LINKAGE Selection mode --------> MINIMIZE INT/EXT RATIO Ensemble --------------> 1 Initial Date ----------> 2002 7 7 12 UTC Forecast range (hours) -> 48 - 60 Area Limits (N/S/W/E) --> 60.0 30.0 -10.0 30.0 Number of clusters ----> 10 Explained Variance(%) -> 42.8 Cluster ---------------> 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Size ------------------> 6 8 10 6 6 4 4 5 1 1 Internal variance(%) --> 5.8 9.8 12.3 6.9 6.8 4.6 4.6 6.5 .0 .0 Radius -----------------> 12.3 13.8 13.8 13.3 13.3 13.4 13.4 14.2 .0 .0

CL 1: ( 5) 0 5 17 24 40 41 CL 2: ( 1) 1 4 9 11 18 32 33 49 CL 3: ( 31) 2 3 10 12 26 28 31 34 46 50 CL 4: ( 39) 6 16 22 29 39 42 CL 5: ( 43) 7 13 36 38 43 48

CL 6: ( 45) 8 25 27 45CL 7: ( 44) 14 35 37 44CL 8: ( 15) 15 20 21 30 47CL 9: ( 19) 19CL 10: ( 23) 23

COSMO-LEPS case-study: 9 July 2002

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Generation of synthetic satellite images in LM: LMSynSat

• RTTOV-7 radiative transfer model (Saunders et al, 1999)

• Input: 3D fields: T,qv,qc,qi,qs,clc,ozone

surface fields: T_g, T_2m, qv_2m, fr_land

• Output: cloudy/clear-sky brightness temperatures for

Meteosat7 (IR and WV channels) and

Meteosat8 (eight channels)(Keil et al, 2005)

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Lokal Modell: all 10 clusters

Meteosat 7 IR 16:00 UTC

Case Study with COSMO-LEPS: 9 July 2002

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Pyramidal Image Matching

1. Project observed and simulated images to same grid

2. Coarse-grain both images by pixel averaging, then compute displacement vector field that minimizes the total squared error in brightness temperature; search area +/- 2 pixel elements

3. Repeat step 2 at successively finer scales

4. Displacement vector for every pixel results from the sum over all scales

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Image Matching: BT< -20°C and coarse grain

Meteosat 7 IR

1 Pixelelement = 8x8 LM GP

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Image Matching: BT< -20°C and coarse grain

Model Cluster 7Observed

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Displacement Vectors

Image Matching: BT< -20°C and coarse grain

Model Cluster 7Observed

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Image Matching: successively finer scales

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Image Matching: successively finer scales

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Displacement vectors and matched image

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Rank 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 corr.

subjective 2 10 4 7 9 1 5 6 8 3 0.85new measure 7 2 9 4 10 1 8 6 3 5 0.77population 3 2 4 1 5 7 6 8 9 10 -0.34

• Magnitude of displacement vectors consistent with subjective ranking• Cluster population shows no correlation

Ranking using different Quality Measures

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A new Quality Measure

FQI = 0.33 * [ nordispl + (1-LM/Sat)+ + (1-corr)]

good

bad

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Conclusions

1. Pyramidal image matching provides a plausible measure of forecast error (consistent with subjective rankings)

2. COSMO-LEPS cluster populations are a poor indicator of local skill

3. Persistence of skill for about 12 hours owing to change of weather regime in region

Future: adaptive forecasting system: stochastic physics, assimilation of MSG and radar data