AZ ELŐREJELZÉSEK BEVÁLÁSA, SZINOPTIKUS-KLIMATOLÓGIAI KLIMATOLÓGIAI VIZSGÁLATOK Hirsch Tamás Előrejelzési és Éghajlati Főosztály, Időjárás Előrejelző Osztály Országos Meteorológiai Szolgálat 34. Meteorológiai Tudományos Napok 2008. november 20-21.

Az előadás vázlata Előrejelzések beválása Szinoptikus-klimatológia Verifikáció haszna, jelentősége Verifikáció fajtái, eszközei IEO operatív verifikációs rendszere Egyéb verifikációs tevékenység az OMSZ-ban Szinoptikus-klimatológia: múlt és jelen Összefoglalás

Előrejelzések beválása Szinoptikus klimatológia Előrejelzések beválásának meghatározása Időjárás előrejelzés (nyers numerikus modell output, utófeldolgozott modell output ill. szinoptikus előrejelzése) minőségének ellenőrzése verifikáció Verifikáció: Előrejelzett Tényleges (???) megfigyelések, mérések pontossága, reprezentativitás Szinoptikus-klimatológia Szinoptikus skálájú folyamatok hosszabb időszakra vonatkozó, jelentős számú esetet feldolgozó elemzése A szerzett ismereteket a közvetlen modell outputokkal kombinálva jelentős mértékben javítható a modellek által nehezebben prognosztizált időjárási helyzetek előrejelzése (extrém helyzetek, parametrizációs hibák, stb.) Rövid és középtávú időjárás előrejelzések beválásának növelése

Verifikáció haszna, jelentősége Előrejelzések gyakorlati felhasználhatóságának meghatározása átlagos beválás mértéke, jó-rossz beválások gyakorisága, előrejelezhetőség jelenlegi határai, stb. Milyen célra milyen előrejelzések készíthetők különböző időtávokra? Előrejelzési módszerek fejlesztési irányának kijelölése alacsony beválású időjárási helyzetek, problémás meteorológiai folyamatok felderítésével FEJLESZTÉS Numerikus modellek analízis horiz. & vertik. felbontás fizikai parametrizációk Utófeldolgozás Kalman-filter MOS Perfekt Prog. Szinoptikus módszerek Numer. előrej. interpretációja Új előrejelzési produktumok Szinop-klimat vizsgálatok

Verifikáció haszna, jelentősége Korábbi fejlesztések hatásának kimutatása alacsony beválású helyzetek előrejelzése javult-e trendek meghatározása és követése esetleges újabb problémák felderítése A verifikációs eredmények rendszeres, azonnali felhasználása Azonnali visszacsatolás az operatív előrejelzők számára Aktuális teljesítmény és esetleges modell problémák (elmúlt napokra jellemző) Hozzájárul az operatív előrejelzői munka állandó javításához

Verifikáció fajtái, módszerei Előrejelzés típusa közvetlen/utófeldolgozott numerikus modell output szinoptikus előrejelzése magaslégköri mezők (pl. AT500, T500) felszíni paraméterek (pl. T2m, szél10m) Tényleges érték ( a légkör valósnak tekintett állapota ) synop mérések, megfigyelések, sűrű állomáshálózat (pl. csapadékmérő) radar- és műholdas mérések, modell analízis Előrejelzési időtáv ultrarövidtáv, rövidtáv, középtáv, havi és szezonális előrejelzések Térskála pontbeli területi (rácsdoboz, országrész, vízgyűjtő stb.) modellek: mérések felskálázása rácsdoboz szintre reprezentativitás

Verifikáció fajtái, módszerei Verifikálandó adatbázis felbontása (jellegzetes eltérések felderítésére) Időben: évek, évszakok, hónapok, hetek, stb. Térben: területek, országrészek, vízgyűjtők Időlépcső szerinti felbontás Referenciához hasonlítás (előrejelzés mennyivel jobb ennél) klíma (modell klíma), perzisztencia (előző időszak), véletlen előrejelzés gazdasági haszon meghatározása Objektív Szubjektív verifikáció Objektív: pontos matematikai módszerekkel meghatározott mérőszámok Szubjektív: szemmel történik, jelentősen pontatlanabb, de: sokkal összetettebb lehet (több szempont együttes figyelembe vételével) bizonyos esetekben kiszűrheti az objektív verifikáció hibáit is!

Objektív verifikáció Folytonos változók (pl. T, szélsebesség, csap.összeg) ME átlagos hiba MAE átlagos abszolút hiba MSE átlagos négyzetes hiba + referencia = skill score SSME SSMEA SSMSE RMSE átlagos négyzetes hiba négyzetgyöke SSRMSE Kategórikus események (pl. fagy / köd / viharos szél lesz nem lesz, csapadékkategóriák, stb.) 2 kategória: 2 x 2-es kontingencia táblázat előrejelzett megfigyelt párok több kategória: n x n-es kontingencia táblázat kategóriánként (II,IN,NI,NN) FBI Frequency Bias Index TS Threat Score PC Proportion correct POD Prob. of Detection FAR False Alarm Ratio ETS Equitable Threat Score TSS True Skill Statistics ORSS Odds Ratio Skill Score +

Objektív verifikáció Valószínűségi előrejelzések (szubjektív vagy statisztikai utófeldolgozáson alapuló vagy dinamikus (EPS) ) Reliability diagram megfigyelt relatív gyakoriság (megbízhatósági diagram) előrejelzett valószínűség BS Brier Score (~MSE) ROC Relative Operating Characterics BSS Brier Skill Score RPS Ranked Prob. Score ROCA ROC görbe alatti területi ROC_SS ROC skill score FONTOS!!! Az egyes verifikációs mérőszámok az előrejelzés beválását csak egy adott szemszögből jellemzik, így önmagában egyik sem elegendő. Pontos következtetések levonásához minél több objektív mutató kiszámítására és együttes kiértékelésére van szükség.

Objektív Szubjektív verifikáció Tényleges Jobb előrejelzés Előrejelzés I Előrejelzés II Hiba I MAE Hiba II + 3,5 mm > 2,1 mm RMSE 7,2 mm > 5,2 mm Dupla büntetés

IEO operatív verifikációs rendszere Kódszerű előrejelzések 6 körzetre 8 időszakra: 1.éjszaka, 1.nappal, 2 7. nap 3 forrásból: Szinoptikus (manuális) ALADIN (automatikus) ECMWF (automatikus) SOPRON MMÓVÁR 6 GYŐR TATA PÁPA SZOMBATHELY VESZPRÉM SZENTGOTTHÁRD Z.EGERSZEG SIÓFOK SÁRMELLÉK NAGYKANIZSA 5 TASZÁR PÉCS BUDAPEST 1 AGÁRD PAKS BAJA KECSKEMÉT 4 3 2 SZÉCSÉNY EGER KÉKESTETŐ SZOLNOK SZEGED JÓSVAFŐ MISKOLC DEBRECEN BÉKÉSCSABA ZÁHONY NYIREGYHÁZA POROSZLÓ Összehasonlítható prognózisok Objektív verifikációs rendszer

IEO operatív verifikációs rendszere Példa kódolt előrejelzésre (2005.02.07.) OOKI HHNN BBJJ CCVW SSSS AALL YYXX 1210 0207 0/// //// 09// 0206 62// 1220 0207 0//1 //// 05// 0207 65// 1230 0207 0//3 //// 09// 0208 67// 1240 0207 03/3 //// 09// 0207 65// 1250 0207 3//3 3/1/ 09// 0206 63// 1260 0207 3//1 //// 14// 0208 62// 1211 0207 0//1 //// 09// 0206 //00 1221 0207 3/11 //// 99// 0105 //51 1231 0207 3/32 //// 99// 0105 //53 1241 0207 3/32 3/1/ 09// 0206 //55 1251 0207 3/32 //// 14// 0308 //53 1261 0207 0//1 //// 14// 0409 //51 1212 0207 2//3 //// 99// 0106 6151 1222 0207 2//3 //// 99// 0106 6351 1232 0207 3/13 //// 99// 0106 6654 1242 0207 3/13 //// 99// 0106 6554 1252 0207 3/13 //// 99// 0106 6453 1262 0207 2//3 //// 99// 0106 6352 1.éjszaka 1.nappal 2.nap Előrejelzett elemek Borultság (kategóriák) Jelenidő (csapadékon kívüli időkép) Csapadékfajta Csapadékmennyiség (kategóriák) Csapadékvalószínűség (5/20 mm) Szélirány Átlagszél Széllökés Minimum hőmérséklet Maximum hőmérséklet

IEO operatív verifikációs rendszere Objektív verifikáció Tényleges adatok előállítása 6 körzetre (körzetátlagok a verifikált időszakokra) Szinop állomások Előrejelzett mért/megfigyelt értékpárok összehasonlítása, statisztikai mérőszámok SOPRON MMÓVÁR 6 GYŐR TATA PÁPA SZOMBATHELY VESZPRÉM SZENTGOTTHÁRD Z.EGERSZEG SIÓFOK SÁRMELLÉK NAGYKANIZSA 5 TASZÁR PÉCS BUDAPEST 1 AGÁRD PAKS BAJA KECSKEMÉT 4 3 2 SZEGED MISKOLC DEBRECEN BÉKÉSCSABA ZÁHONY SZÉCSÉNY EGER NYIREGYHÁZA KÉKESTETŐ POROSZLÓ SZOLNOK JÓSVAFŐ Verifikált elemek Minimum / maximum hőmérséklet Csapadékmennyiség / egzisztencia / valószínűség Felhőzetmennyiség Átlagszél / széllökés Statisztikai mérőszámok ME átlagos hiba MAE átlagos abszolút hiba RMSE átlagos négyzetes hiba négyzetgyöke PC pontos előrejelzések aránya BIAS, POD, FAR, TS, BS, BSS, hibaeloszlások,

IEO operatív verifikációs rendszere Komplex mérőszám prognózisok összteljesítménye Mérőszám 100% 0% Min/Max hőmérséklet RMSE 0 C 8 C Csapadék egzisztencia PC 100% 0% Csapadék mennyiség MAE 0 kateg. 1.6 kateg. Átlagszél RMSE 0 m/s 6 m/s Széllökés RMSE 0 m/s 10 m/s Felhőzet RMSE 0 okta 6 okta Komplex mérőszám - 100 % 0 % % 25 20 15 10 5 0 25 25 17,5 12,5 10 6 4 Tmin Tmax CsapEgz CsapMenny Átlagszél Széllökés Felhőzet Súlyozás Hőmérséklet 25+25% Csapadék 22,5% Szél 10% Felhőzet 17,5%

IEO operatív verifikációs rendszere - eredmények 85 80 Komplex mérőszám 2008. 01.01-10.31. Szinoptikus ECMWF ALADIN % 75 70 65 60 1.éjszaka 1.nap 2.nap 3.nap 4.nap 5.nap 6.nap Szinoptikus javított minden időlépcsőben (egyéb modellek, ECMWF ensemble és szinoptikus-klimatológiai ismeretek)

IEO operatív verifikációs rendszere - eredmények C 2,5 2,0 Minimum hőmérséklet (MAE) - 2008 Sz EC AL C 2,5 2,0 Maximum hőmérséklet (MAE) - 2008 Sz EC AL 1,5 1,0 1,5 1,0 Szinoptikus: 0,5 0,0 1.nap 2.nap 3.nap 4.nap 5.nap 6.nap % Csapadék egzisztencia (PC) - 2008 100,0 Sz EC AL 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 1.éj 1.nap 2.nap 3.nap 4.nap 5.nap 6.nap 0,5 0,0 okta 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1.nap 2.nap 3.nap 4.nap 5.nap 6.nap Felhőzet (MAE) - 2008 Sz EC AL 1.éj 1.nap 2.nap 3.nap 4.nap 5.nap 6.nap Tmin, Tmax, összfelhőzet, maximális széllökés m/s 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Átlagos szélsebesség (MAE) - 2008 Sz EC AL 1.éj 1.nap 2.nap 3.nap 4.nap 5.nap 6.nap m/s 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Maximális széllökés (MAE) - 2008 Sz EC AL 1.éj 1.nap 2.nap 3.nap 4.nap 5.nap 6.nap ALADIN: átlagos szélsebesség

IEO operatív verifikációs rendszere - trendek Komplex score havi értékek 1.nap 85,00 Szinoptikus ECMWF ALADIN 6 havi mozgó átlag (Sz) 6 havi mozgó átlag (EC) 6 havi mozgó átlag (AL) 82,50 80,00 77,50 75,00 % 72,50 70,00 67,50 65,00 62,50 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 Tartós hófelszín Hidegpárna

IEO operatív verifikációs rendszere szisztematikus hiba Az 1.napra szóló minimum hőmérséklet előrejelzések átlagos hibája körzetenként az ALADIN, ECMWF és a Szinoptikus esetén (havi átlagok) 4 2003 Hőmérsékleti hiba ( C) 3 2 1 0-1 -2-3 -4 Tmax Tmax Tmax Tmax Május Tmin Tmin Tmin Tmin Június Hőmérsékleti hiba ( C) 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5-2 -2,5-3 Tmax Július Augusztus Június Július Augusztus Tmin Tmax Tmin Tmax Napi hőingás alábecslése 2004 Tmin

IEO operatív verifikációs rendszere - eredmények % 40 35 30 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 Különbség a szinoptikus és a modellek között az 1. napra vonatkozó komplex mutató értékében 2007-ben Szinoptikus - ECMWF Szinoptikus - ALADIN 14 napos mozgó átlag (SZ - AL) 14 napos mozgó átlag (SZ - EC) Hidegpárna nagy hasonlóság a 2004 decemberihez (modell parametr. jelentős javítása ellenére) -20 jan. febr. márc. ápr. máj. jún. júl. aug. szept. okt. nov. dec. ALADIN: szignifikánsan jobban teljesített az ECMWF-nél!!! 2008/2009?

Egyéb verifikációs tevékenység az OMSZ-ban TAF táviratok összesített, illetve elemenkénti beválása - 2007 TAF beválás Irány Lökés Sebesség Látás Repülésmeteorológia 100 95 90 85 80 % 75 70 65 60 55 50 98 97 96 93 94 94 92 92 91 91 90 90 89 89 87 87 87 87 87 86 86 85 85 85 85 84 84 84 83 83 82 82 81 80 80 79 79 79 79 78 78 77 76 75 75 74 74 73 73 71 esetszám db. január február 10 március április május június július augusztus A kiadott elsőfokú viharjelzések hibáinak értékelése 2007 szeptember 9 nyugati m. 8 keleti m. 7 Velencei-tó 6 5 4 3 2 1 0 túlbiztositott óvatos elhamarkodott elkésett elmulasztott október esetszám db. 99 94 91 89 88 85 85 85 83 82 81 80 79 77 58 november 25 20 15 10 5 0 december éves átlag Balatoni viharjelzés A kiadott másodfokú viharjelzések hibáinak értékelése 2007 nyugati m. keleti m. Velencei-tó túlbiztositott óvatos elhamarkodott elkésett elmulasztott

Egyéb verifikációs tevékenység az OMSZ-ban Évszakos előrejelzések

Egyéb verifikációs tevékenység az OMSZ-ban OVISYS Numerikus Modellező és Éghajlat-dinamikai osztály

Szinoptikus-klimatológia: múlt és jelen Kárpát-medence ( hegyekkel körülzárt terület) Kiemelkedő jelentőségű a szinoptikus-klimatológiai vizsgálatok szerepe Péczeli György A Kárpát-medencére vonatkozó makroszinoptikus helyzetek Bodolainé Jakus Emma A Duna és a Tisza vízgyűjtő területén árhullámot okozó időjárási helyzetek Számos vizsgálat kiinduló pontját jelentik Jelen Több rendelkezésre álló adat (hosszabb idősorok, reanalízis mezők) Jobb technikai feltételek (könnyebb adatfeldolgozás) Numerikus előrejelző modellek szinoptikus skálán igen jó beválást mutatnak Lehetőség újabb, részletesebb vizsgálatokra, melyek eredményeinek felhasználásával jelentősen növelhető az előrejelzések beválása

Szinoptikus-klimatológia: múlt és jelen Hidegpárnás helyzetek (Polgár Attila, 2003) Felszíni szélirány hidegpárnás esetekben Lokális hőm érsékleti advekció feloszláskor 80.0 Budapesti nagy havazások (Babolcsai György, 2004) 30.0 0 60.0 315 20.0 45 Extrém hideg 10.0 helyzetetek és a hótakaró 40.0 (Reisz András, 2005) 40 270 0.0 90 20.0 35 225 Ónos esős 135 helyzetek (Gaál Áron, 2005) 30 0.0 925 hpa 900 25 hpa 850 hpa 700 hpa 500 hpa 180 2000 20-8.0 - -4.0-4.0-0.0 > 0.0 15 Téli, nagy, csapadékos helyzetek (Hirsch Tamás, 2006) 10 1600 5 Magasság [m] 0-25 -20-15 -10-5 0 1200 800 relatív gyakoriság (%) Minimum-hőmérséklet ( C) Hóvastagság (cm) 400 [0,1; 1] [1,1; 2] [2,1; 3] [3,1; 4] [4,1; 5] Hőmérsékleti kategóriák [ o C]

Összefoglalás A verifikáció nélkülözhetetlen az előrejelzések fejlesztése szempontjából Minél több verifikációs mérőszám együttes kiértékelése szükséges Objektív verifikáció mellett szükség van szubjektív verifikációra is OMSZ Időjárás Előrejelzési Osztály operatív verifikációs rendszerének bemutatása és bepillantás az OMSZ egyéb verifikálási tevékenységébe Szinoptikus-klimatológiai vizsgálatok nem csak a múlt, hanem a jelen és a jövő eszköze is (eredmények beépítése az operatív előrejelzői munkába)

Köszönöm a figyelmet!