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Die Fingerprint Technikder
VERA
University of Vienna Department of Meteorology
and Geophysics
von Matthias Ratheiser
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Inhalt des Vortrags1.) Grundlage der Methode
2.) Implementierung in ein Interpolationsverfahren
3.) Das physikalische Modell hinter dem thermischen Fingerprint4.) Fallstudie
5.) Der dynamische Fingerprint
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-2
0
2
4
6
8
10
12
14
1 2 3 4 5 6 7
räumliche Achse
rela
tive
Änd
erun
g
nicht erklärt
erklärt
Interpolation
Messungen
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
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Ansatz der slpine-funktion nach Reinsch (thin plate spline):
A
n
1k
2kOkAk JxxwI
dx
x)(J
13
1
2
2A
2
A
mit
Wir ersetzen O durch fehlerkorrigierten Wert: O O*
und fordern, dass A - O* = 0 ist.
Penalty-Funktion wird alleineminimiert
Kostenfunktion Penaltyfunktion
Analyse geht durch modifizierte Messwerte
(Index A: analysiertes Feld; Index O: Beobachtungen)
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...xxcxxcxx ddmmUA
Aufspalten der Stationswerte:
Mit GebirgseinflussNicht erklärbarer Anteil
bekanntes, idealisiertes Felddes Gebirgseinflusses
wichtiger Skalierungsfaktor
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Beispiel für die Quantifizierung des thermischen Einflusseseines Gebirges auf ein
Bodendruckfeld
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Höheninformation:Topographie der Alpen in 1km Auflösung
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Physikalische Annahmen
•reduziertes Luftvolumen und Lage der Heizflächen im Tal
•3D-Netz im Alpenraum: dx = 20kmdy = 20kmdz = 500m
•konkrete Domäne1581km x 1161km x 4500m
•Berücksichtigung der Stabilität der Luft
Wichtige Größe!
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20kmSchema zur Berechnung der mittleren Topographie
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•Ausgangswerte: Standardatmosphäre T für leeres Element aus Strahlungs-
heizung für mittlere Höhe und horizontale Fläche (Dauer 6 Stunden)T wird erhöht um den Faktor der VolumenreduktionT wird vermindert um den Faktor der FlächenreduktionT wird verändert durch eine Dichte- korrektur
diskretes Temperaturprofil mit 9 Stützstellen
150 W/m2
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Korrektur für überadiabatische Gradienten
Umrechnung für Druck:hydrostatische Beziehungab Schicht 5, wo T=TS T dazubis Erdbodenweiter reduzieren für PMSL
5
(Standard)
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Fallbeispiel: Kältehoch vom 31.3.2002 um 03 UTC
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ohneFinger-print
mitFinger-print
31.3.2002, 03 UTC
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station PMSL station PMSL
1 1025.9 6 1022.4
2 1021.3 7 1022.5
3 1020.3 8 1023.4
4 1021.3 9 1023.8
5 1023.9
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„Synoptischer“ Anteil Gebirgsanteil
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units: hPa, n=260
With Fingerprints
Without Fingerprints
Maximum difference 2,57 9,82
Minimum difference -1.22 -4,86range 3,79 14,68
Mean value 0,13 0,25Standard deviation 0,34 0,43
RMS 0,36 0,50
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Der dynamische Nordströmungs-Fingerprint
•Konstanter Druckgradient von Norden nach Süden von 1 hPa/km•Anbringen einer iterativen gewichteten Mittelung:
8
18
1
1i
ii
ii
pww
p mit
mh
i
i
ew 1500
wi = 1.0 bei hi = 0 m … wi = 0.13 bei hi = 3000 m
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• Die Fingerprints ermöglichen ein Mehr an Information in einer höheren Auflösung im Vergl. zu den reinen Messungen.
• Zusatzwissen über die Beeinflussung der Bodenfelder wird durch ein physikalisches Modell quantifiziert.
• Die Faktoren werden für jeden idealisierten Fingerprint an allen Punkten berechnet.
• Die Faktoren skalieren das idealiserte Feld an die aktuellen Verhältnisse.
• Die Analysen zeigen mesoskalige Details und werden objektiv verbessert.
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Zusammenfassung
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Danke für Ihre Aufmerksamkeit !
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Die Fingerprints und aLMo VERA aLMoaus 1km Topographie aus 7km Topographie
10km-FiPri durch Mittel der Min.top.zum downscaling des pmsl Feldes beider Interpolation auf regelm. Gitter
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