Kansverwachtingen in de meteorologie Maurice Schmeits (KNMI, R&D Weer- en klimaatmodellen) KWG Wintersymposium 10 januari 2015

KWG Wintersymposium 10 januari 2015 Inhoud Waarom kansverwachtingen? Numerieke weersverwachting: Hoe werkt het? (Beperkingen van) deterministische weersverwachting Kansverwachtingen m.b.v. een ensemble predictie systeem (EPS) Verificatie van kansen Gebruik van kansverwachtingen: cost-loss Kansverwachtingssysteem voor (zwaar) onweer (case 9 juni 2014) Model output statistics (MOS) KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Waarom kansverwachtingen? (Met dank aan: Kees Kok (KNMI)) Kwantificeren van inherente onzekerheid O.a. t.b.v. het nemen van (risico)beslissingen Stelling: Het nemen van beslissingen kan worden verbeterd door gebruik te maken van onzekerheidsinformatie Stelling is waar: - mits kansverwachtingen skill hebben - mits ze goed gecommuniceerd worden - mits de ontvanger die snapt KWG Wintersymposium 10 januari 2015

beschrijft de processen in het aardsysteem Numerieke weersverwachting: Hoe werkt het? (Met dank aan: Renate Hagedorn (ECMWF)) Numeriek model beschrijft de processen in het aardsysteem KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Observaties als start van de verwachting Numerieke weersverwachting: Hoe werkt het? (Met dank aan: Renate Hagedorn (ECMWF)) Observaties als start van de verwachting KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Observaties Computer Model Numerieke weersverwachting: Hoe werkt het? (Met dank aan: Renate Hagedorn (ECMWF)) Observaties Computer Model KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Deterministische weersverwachting (Met dank aan: Renate Hagedorn (ECMWF)) Is deze verwachting “correct”? Temperatuur Initiële onzekerheid Verwachtingstijd Beginconditie Verwachting Modelfout KWG Wintersymposium 10 januari 2015

KWG Wintersymposium 10 januari 2015 (Bron: The Independent) KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Kansverwachtingen: ensembles (Met dank aan: Renate Hagedorn (ECMWF)) Temperatuur Verwachtingstijd Beginconditie Verwachting Complete beschrijving van de weersverwachting in termen van een Probability Density Function (PDF) KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Stromingsafhankelijkheid van verwachtingsfouten (Met dank aan: Renate Hagedorn (ECMWF)) 26 juni 1995 26 juni 1994 Als de ensembleleden coherent zijn (kleine spreiding) is de atmosfeer voorspelbaarder dan als de ensembleleden divergeren (grote spreiding) KWG Wintersymposium 10 januari 2015

KWG Wintersymposium 10 januari 2015 ECMWF Ensemble Predictie Systeem (EPS): kansverwachting voor de komende twee weken “pluim” en staafdiagrammen voor De Bilt: http://www.knmi.nl/exp/pluim/vijftiendaagse/ (Bron: ECMWF) KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Deterministische vs. probabilistische verwachting Deterministisch verwachten: Data-assimilatie Run een weermodel vanuit een enkele (beste) analyse Resultaat: deterministische verwachting Maar omdat de atmosfeer chaotisch is, hebben we een schatting van de onzekerheid nodig. Daarom: Probabilistisch verwachten: Ensemble data-assimilatie Run (een) weermodel(len) vanuit meervoudige analyses Creëer een ensemble van weersverwachtingen Resultaat: kansverwachting KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Verificatie van kansen KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Verificatie van kansen: reliability diagram KNMI neerslagkansen voor 1 dag vooruit: Waargenomen frequentie Verwachte kans KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Verificatie van kansen: reliability diagram KNMI neerslagkansen voor 5 dagen vooruit: Waargenomen frequentie Verwachte kans KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Verificatie van kansen: Brier skill score KNMI neerslagkansen

KWG Wintersymposium 10 januari 2015 Evolutie van ECMWF EPS Brier skill scores voor neerslag (6 dagen vooruit) KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Het nut van weersverwachtingen (Met dank aan: Kees Floor) helpt bij beslissingen die leiden tot acties die “ellende” voorkomen geld “opleveren” KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Cost-loss analyse (Met dank aan: Kees Floor) Schade (loss) L bij (onverwacht) optreden kosten C bij voorzorgsmaatregel strategie: zorg ervoor dat je alles bij elkaar zo min mogelijk geld kwijt bent KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Cost-loss analyse (Met dank aan: Kees Floor) Schade (loss) 100k€ bij optreden kosten 15k€ bij voorzorgsmaatregel strategie: zorg ervoor dat je alles bij elkaar zo min mogelijk geld kwijt bent Actie ondernemen als kans > C/L, dus als kans > 0.15 in dit geval

KWG Wintersymposium 10 januari 2015 Toegevoegde waarde van EPS verwachtingen (voorbeeld: neerslag > 1 mm) +96h +144 h KWG Wintersymposium 10 januari 2015

KWG Wintersymposium 10 januari 2015 Kansverwachtingssysteem voor (zwaar) onweer (Case Tweede Pinksterdag 9 juni 2014) (Bron: 3FM) (Foto: Dennis Oswald) KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Model output statistics (MOS) KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Ensemble van geadvecteeerde Predictandbron: Bliksemdata MOS systeem voor (zwaar) onweer Predictorbron 1: Ensemble van geadvecteeerde radardata (0 tot +6 h) Predictorbron 2: Ensemble van geadvecteeerde bliksemdata (0 tot +6 h) Predictorbron 3: Weermodel- uitvoer (0 tot +48 h) Predictandbron: Bliksemdata KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Voorbeeld van ensemble van advectievectoren RV HV     KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Ensemble van geadvecteeerde MOS systeem voor (zwaar) onweer Ensemble van geadvecteeerde radardata (0 tot +6 h) Ensemble van geadvecteeerde bliksemdata (0 tot +6 h) Weermodel- uitvoer (0 tot +48 h) Logistisch regressie (LR) model Bliksemdata (Conditionele) kans op (zwaar) onweer (0 tot +6 h/…./+42 tot +48 h) Archief: lengte: 3/2 jaar  3 warme halfjaren 2/3 deel voor ontwikkeling 1/3 deel voor verificatie KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Voorbeeld van logistische regressie Kans op onweer kruisjes: binaire predictand driehoekjes: conditioneel gemiddelde plusjes: logistische curve Wortel uit 6-h convectieve neerslagsom ((0.1 mm)1/2) KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Klimatologische conditionele. kansen op zwaar onweer (maximale 5-min Klimatologische conditionele* kansen op zwaar onweer (maximale 5-min. bliksemintensiteit) * Conditie: > 1 ontlading KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Case 9 juni 2014 (15-21 UTC; +30 tot +36 h verwachtingen) Kans op onweer Maximale 5-min. bliksemintensiteit Conditionele kans op zwaar onweer (≥ (≥ 50 ontladingen/ 5 min.)(≥ 200 ontladingen/ 5 min.) ‘Klim.’ kans op onweer: 5-19 % ‘Klim.’ cond. kans op zwaar onweer (≥ 200 ontladingen/5 min.): 5 % (abs. kans: < 1 %)

Waarschuwing voor extreem weer voor 9 juni 2014 17-22 UTC Code oranje voor zwaar onweer in het zuiden & code geel voor windstoten (Uitgiftetijd: 10.27 UTC) KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Radar- en bliksembeelden 9 juni 2014 (12-15 UTC) KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Case 9 juni 2014 (15-21 UTC; 0 tot +6 h verwachtingen) Kans op onweer Conditionele kans op zwaar onweer (≥ 50 ontladingen/ 5 min.) (≥ 200 ontladingen/ 5 min.) Maximale 5-min. bliksemintensiteit ‘Klim.’ kans op onweer: 5-19 % ‘Klim.’ cond. kans op zwaar onweer (≥ 200 ontladingen/5 min.): 5 % (abs. kans: < 1 %)

Weeralarm voor 9 juni 2014 19-21 UTC Bliksem @ 18.15 UTC Weeralarm (code rood) voor zwaar onweer in Limburg Code oranje voor zwaar onweer in ZL, NB en GLD Code geel voor zware windstoten (Uitgiftetijd: 16.45 UTC) KWG Wintersymposium 10 januari 2015

KWG Wintersymposium 10 januari 2015 Observaties 9 juni 2014 Bliksem Neerslagintensiteit @ 20.15 LT Maximale windstoot KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Radar- en bliksembeelden 9 juni 2014 (15-21 UTC) KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Verificatie: Brier skill scores (> 1 ontlading) +6 h verwachtingen +12 h verwachtingen KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Verificatie: Brier skill scores (≥ 50/100/200 ontladingen/5 min.) +6 h verwachtingen +12 h verwachtingen KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Verificatie: reliability diagrammen (15-21 UTC; +6 h fc; ≥ 200 ontladingen/5 min.) Waargenomen frequentie Verwachte kans

Case 9 juni 2014: impact (Bron: Volkskrant) (Bron: Volkskrant) (Bron: Gelderlander) YouTube: http://www.youtube.com/watch?v=zKyEpC_S_Qk KWG Wintersymposium 10 januari 2015

Nieuwe ontwikkelingen en onderzoek Nabije toekomst: gebruik van ons nieuwe hoge-resolutiemodel Harmonie als een bron van potentiële predictoren en gebruik van data van een nieuw bliksemdetectiesysteem. Iets verdere toekomst: onderzoek naar nieuwe methodes op basis van extremewaardenstatistiek en of deze kunnen leiden tot betere kansverwachtingen voor extreem weer (in samenwerking met Geurt Jongbloed en Juan-Juan Cai van de TU Delft en Kees Kok (KNMI))

Bedankt voor jullie aandacht! Vragen? Populair-wetenschappelijk STAtOR-artikel “Over regenkansen en paraplu’s”: http://www.knmi.nl/publications/fulltexts/stator_20121_410_schmeits.pdf Bedankt voor jullie aandacht! KWG Wintersymposium 10 januari 2015