Räumliche Modellierung von Phänologischen Daten
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Räumliche Modellierung von phänologischen Daten: Qualitätskontrolle und Datenanalyse Andreas Hense Meteorologisches Institut Universität Bonn 27. Januar 2003 Kolloquium Phänologie 1 Überblick • • • • Motivation Methodik Ergebnisse Zusammenfassung 27. Januar 2003 Kolloquium Phänologie 2 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 27. Januar 2003 Kolloquium Phänologie 3 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“ 27. Januar 2003 Kolloquium Phänologie 4 Daten, Stichprobenentnahme, Stichprobenfehler Modellierung der jährliche Anomalien, Modellfehler Modellierung des Mittelwert 1951-2001, Modellfehler Unscharfe Koeffizienten 27. Januar 2003 Kolloquium Phänologie 5 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 27. Januar 2003 Kolloquium Phänologie 6 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 27. Januar 2003 Kolloquium Phänologie 7 Mittelwert 1951-2001 27. Januar 2003 Kolloquium Phänologie 8 Mittelwert 1951-2002 27. Januar 2003 Kolloquium Phänologie 9 Blühdatumsänderung [Tage/Einheit] Mittelwert Blühdatum Sommerlinde 1951-2001 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 ] e ng ä L 27. Januar 2003 [° ] m 0 0 ] ite e Br [° e öh H [1 ²] ge n Lä ° ²[ Kolloquium Phänologie ²] ite e Br ° ²[ ²] m ³/k 0 [1 . an b Ur 10 Erste Qualitätskontrolle • Repräsentativität in der Höhe – Stationshöhe vs. Digitales Höhenmodell • grobe Abweichungen vom Mittelwert – |Beobachtung - Mittelwert| > 3 r(Mittelwert) • etwa 5% der Beobachtungen erfüllen die Bedingungen nicht – Höhenabweichungen korrigierbar – grobe Abweichungen: 270 statt 170 27. Januar 2003 Kolloquium Phänologie 11 Analyse der jährlichen Anomalien vom Mittelwert • Variationelle Formulierung (2-d Var) • Reduktion der Dimension (Anzahl der Gitterpunkte) durch vorgegebene Muster V 27. Januar 2003 Kolloquium Phänologie 12 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 27. Januar 2003 Kolloquium Phänologie 13 Zeitreihe des Gebietsmittels 1951-2001 27. Januar 2003 Kolloquium Phänologie 14 Anomaliefeld eines extremen Jahres (1993) 27. Januar 2003 Kolloquium Phänologie 15 Anomaliefeld eines extremen Jahres (1962) 27. Januar 2003 Kolloquium Phänologie 16 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 27. Januar 2003 Kolloquium Phänologie 17
