Assessing uncertainties in flood forecasts for decision making: prototype of an operational flood management system integrating ensemble predictions

Ensemble forecasts aim at framing the uncertainties of the potential future development of the hydro-meteorological situation. A probabilistic evaluation can be used to communicate forecast uncertainty to decision makers. Here an operational system for ensemble based flood forecasting is presented, which combines forecasts from the European COSMO-LEPS, SRNWP-PEPS and COSMO-DE prediction systems. A multi-model lagged average super-ensemble is generated by recombining members from different runs of these meteorological forecast systems. A subset of the super-ensemble is selected based on a priori model weights, which are obtained from ensemble calibration. Flood forecasts are simulated by the conceptual rainfall-runoff-model ArcEGMO. Parameter uncertainty of the model is represented by a parameter ensemble, which is a priori generated from a comprehensive uncertainty analysis during model calibration. The use of a computationally efficient hydrological model within a flood management system allows us to compute the hydro-meteorological model chain for all members of the sub-ensemble. The model chain is not re-computed before new ensemble forecasts are available, but the probabilistic assessment of the output is updated when new information from deterministic short range forecasts or from assimilation of measured data becomes available. For hydraulic modelling, with the desired result of a probabilistic inundation map with high spatial resolution, a replacement model can help to overcome computational limitations. A prototype of the developed framework has been applied for a case study in the Mulde river basin. However these techniques, in particular the probabilistic assessment and the derivation of decision rules are still in their infancy. Further research is necessary and promising

Zeitreihenanalyse der Dynamik komplexer Systeme und der Wirkung externer Antriebsmechanismen am Beispiel des Klimasystems

In recent decades, a variety of algorithms were developed to analyse nonlinear dynamical systems in phase space. Most remarkable is the work on reconstructing the attractors using univariate time series based on the embedding theorem. However, these algorithms normally require a very large and almost noise free data set. This casts a certain doubt on the results of dimension analysis based on observations, especially the reports on low dimensional climate attractors. With the data available, the calculations of the correlation dimension are limited to dimensions less than 20. This, of course, is not adequate, when concerning the climate system. In this paper a new algorithm called 'Vergleichende Dynamische Analyse (VDA)' is presented, which allows to reconstruct dynamical properties of complex systems. This can be done, because the need of data set number is much smaller, compared to dimension calculations. In the algorithm presented here the sequential properties of reconstructed states are analysed. These sequences do not allow to estimate correlation dimensions, but they contain information about the dynamics. This information is used to determine the time delay and the embedding dimension of different Lorenz Systems and daily surface air temperature measurements. Furthermore, some properties of the dynamics may be estimated. As an example, the effect of atmospheric circulation on the spatial structure of surface temperature is analysed. (orig.)Anknuepfend an die bisher erfolglose Suche nach dem Klimaattraktor wird im Rahmen dieser Arbeit die Einbettung der Dynamik komplexer Systeme aus Zeitreihen diskutiert. Ein wesentliches Problem der bisherigen Untersuchungen ist, dass mit dem vorhandenen Datenmaterial nur in niedrigdimensionalen Systemen, etwa bis zu einer Dimension 20, interpretierbare Ergebnisse erzielt werden koennen. In Anbetracht der Komplexitaet des Klimasystems sind neue Konzepte erforderlich, die diese Grenze ueberschreiten. Die hier vorgestellte vergleichende dynamische Analyse (VDA) findet ihren Zugang zur Systemdynamik durch den Vergleich von Zustandsfolgen in rekonstruierten Phasenraeumen. Die VDA wird mit in ihrem Umfang begrenzten Zustandsfolgen betrieben, die fuer sich gesehen kein vollstaendiges Bild einer Dynamik ergeben, deren Gehalt an dynamischer Information aber durch den Vergleich mit anderen Zustandsfolgen erschlossen werden kann. Einzige Bedingung dabei ist, dass die Zustandsfolgen aus Zeitreihen von Observablen des gleichen dynamischen Systems erzeugt werden. Eine Anwendung der VDA ist die Einbettung komplexer Systeme, d.h. die Erzeugung von mehrdimensionalen Phasenraeumen aus Zeitreihen. Dies wird exemplarisch an verschiedenen Lorenz-Systemen und Messungen der bodennahen Lufttemperatur demonstriert. Ausserdem kann mit Hilfe der VDA ein Vergleich der in verschiedenen Zeitreihen enthaltenen dynamischen Strukturen erfolgen. Dies wird dazu genutzt, die raeumliche Struktur der atmosphaerischen Dynamik darzustellen. (orig.)SIGLEAvailable from TIB Hannover: RO 5075(6) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekDEGerman

Statistisch-dynamische Klimavorhersage fuer Europa und Deutschland Abschlussbericht

Principal Correlation Pattern Analysis (PCPA) maps the local circulation, temperature and precipitation anomalies in the northern hemisphere in monthly resolution and permits an interpretation of their causes. Calculations are made for the El Nino phenomenon, NAO, and the quasi-11-year cycle of solar radiation variation. Especially the El Nino calculations show the efficiency of PCPA.Mit Hilfe der Principal Correlation Pattern Analysis (PCPA) koennen die von verschiedenen Klimaantrieben erzeugten lokalen Zirkulations-, Temperatur- und Niederschlagsanomalien auf der Nordhemisphaere in monatlicher Aufloesung dargestellt und ursaechlich interpretiert werden. Diese Rechnungen wurden fuer das El Nino Phaenomen, die NAO und den quasi 11-jaehrigen Zyklus der solaren Strahlungsschwankungen durchgefuehrt. Insbesondere die Untersuchungen zu Wirkungen von El Nino auf Europa zeigen, dass die PCPA die Kopplungen eines Prozesses mit dem Klimasystem sehr genau beschreibt und somit die Voraussetzungen schafft, die Wirkungen dieses Klimaantriebs zu modellieren und ihn zur Vorhersage zu nutzen. Erste einfache Vorhersageexperimente fuer das europaeische Klima bestaetigen diese Aussage. (orig.)Available from TIB Hannover: RA 3092(105) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekSIGLEBundesministerium fuer Bildung und Forschung, Berlin (Germany)DEGerman

Statistische und deterministische Abschaetzung vulkanischer Einfluesse auf das globale Klima Institutsbericht

In the deterministic part of the project, an idealized volcano model with a latitude-, altitude- and time-dependent dispersion function for stratospheric aerosols of volcanic origin was developed on the basis of measured data. The model was integrated in the radiation part of the atmosopheric circultion model ECHAM4 of Deutsches Klimarechenzentrum (DKRZ). In this form, DKRZ carried out a number of model experiments with and without coupling of the ocean (OPYC model) for different phases of the ENSO cycle. The results show, among others, that the course of El-Nino events is changed by volcanic activity, and that El-Nino events may even be triggered by volcanic activity in the cold phase. In the statistical part, parametrisation of the explosive volcanic activity with stratospheric effects was improved by taking account of horizontal stratospheric transport processes, sedimentation processes and radiation mechanisms and was made available in the form of long time series resolved for 16 latitude bands. A new method was developed for identifying the volcano signal in the observed data, i.e. a process filter that separates these (and other) signals effectively from climate noise. The results are regionally and seasonally differentiated signal patterns including their interdependences with the ENSO cycle. (orig.)Im deterministischen Teil des Projektes wurde aufgrund von Messdaten ein idealisierter Vulkanantrieb entwickelt, der eine breiten-, hoehen- und zeitabhaengige Ausbreitungsfunktion vulkanischen Aerosols fuer die Stratosphaere enthaelt. Dieser Antrieb wurde in das Strahlungsschema des atmosphaerischen Zirkulationsmodells ECHAM4 des Deutschen Klimarechenzentrums (DKRZ) eingesetzt. In dieser Form wurden dann ohne und mit Ankoppelung des Ozeans (Modell OPYC) eine Reihe von Modellexperimenten am DKRZ durchgefuehrt, wobei diese Experimente jeweils zu unterschiedlichen Phasen des ENSO-Zyklus gestartet wurden. Die umfangreichen Modellergebnisse zeigen u.a., dass der Verlauf von El-Nino-Ereignissen durch den Vulkanismus veraendert, waehrend der Kaltphase solche Ereignisse dadurch sogar ausgeloest werden koennen. Im statistischen Teil wurde zunaechst die Parametrisierung der explosiven, die Stratosphaere beeinflussenden Vulkanaktivitaet durch Beruecksichtigung der horizontalen stratosphaerischen Transportprozesse, Sedimentationsvorgaenge und Strahlungsmechanismen wesentlich verbessert und in Form nach 16 Breitenkreisbaendern aufgeloesten langen Zeitreihen bereitgestellt. Fuer die Suche nach dem Vulkansignal in den Beobachtungsdaten wurde eine neue Methodik, der Prozessfilter, entwickelt, der solche (und andere) Signale besonders effektiv vom Klimarauschen trennt. Das Ergebnis sind raeumlich-jahreszeitlich differenzierte Signalmuster, einschliesslich ihrer Wechselbeziehungen mit dem ENSO-Zyklus. (orig.)Available from TIB Hannover: RA 3092(101) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekSIGLEBundesministerium fuer Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie, Bonn (Germany)DEGerman

Combination of different types of ensembles for the adaptive simulation of probabilistic flood forecasts: hindcasts for the Mulde 2002 extreme event

Flood forecasts are essential to issue reliable flood warnings and to initiate flood control measures on time. The accuracy and the lead time of the predictions for head waters primarily depend on the meteorological forecasts. Ensemble forecasts are a means of framing the uncertainty of the potential future development of the hydro-meteorological situation. <br></br> This contribution presents a flood management strategy based on probabilistic hydrological forecasts driven by operational meteorological ensemble prediction systems. The meteorological ensemble forecasts are transformed into discharge ensemble forecasts by a rainfall-runoff model. Exceedance probabilities for critical discharge values and probabilistic maps of inundation areas can be computed and presented to decision makers. These results can support decision makers in issuing flood alerts. The flood management system integrates ensemble forecasts with different spatial resolution and different lead times. The hydrological models are controlled in an adaptive way, mainly depending on the lead time of the forecast, the expected magnitude of the flood event and the availability of measured data. <br></br> The aforementioned flood forecast techniques have been applied to a case study. The Mulde River Basin (South-Eastern Germany, Czech Republic) has often been affected by severe flood events including local flash floods. Hindcasts for the large scale extreme flood in August 2002 have been computed using meteorological predictions from both the COSMO-LEPS ensemble prediction system and the deterministic COSMO-DE local model. The temporal evolution of a) the meteorological forecast uncertainty and b) the probability of exceeding flood alert levels is discussed. Results from the hindcast simulations demonstrate, that the systems would have predicted a high probability of an extreme flood event, if they would already have been operational in 2002. COSMO-LEPS showed a reasonably good performance within a lead time of 2 to 3 days. Some of the deterministic very short-range forecast initializations were able to predict the dynamics of the event, but others underpredicted rainfall. Thus a lagged average ensemble approach is suggested. The findings from the case study support the often proposed added value of ensemble forecasts and their probabilistic evaluation for flood management decisions

Statistische Analyse der Klimavariabilitaet und anthropogenen Klimasignale in globaler und regionaler Betrachtung

Aim of this project performed in 1994--1997 was the description of observed climate variability on a global, European and German scale and within, the recent 30, 100 and 400 yr period. Furthermore, a causal interpretation in a multiple way was intended. The most important result of observational statistics is the publication (Kluwer, Dordrecht 1997; in English) of the 'European Climate Trend Atlas' providing for the 1891--1990 or 1961--1990 periods, respectively, the trends of surface air temperature, precipitation, humidity (1961--1990) and pressure (MSL) for all months and seasons of the year in 316 regionally differentiated trend charts. This is supplemented by a corresponding German Trend Atlas (temperature and precipitation) and a 1961--1990 analysis of temperature and pressure within the troposphere (selected altitudes) and stratosphere. The interpretation, by means of statistical techniques (regression, neural networks), is focussed on the question to which extent trends and interannual variations of temperature may be explained by natural (vulcanism, solar activity, El Nino) or anthropogenic (greenhouse gases, tropospheric sulfate aerosols) forcing. It arises that on a global or hemispheric average the anthropogenic greenhouse effect is already dominating whereas natural forcing - also on a 400 yr mean northern hemisphere scale --plays a minor role. The spatial signal structures due to anthropogenic forcing found in this statistical way are very similar to those simulated by more sophisticated model computations (GCM)Ziel des in den Jahren 1994--1997 durchgefuehrten Projektes war es, in den raeumlichen Skalen 'global, Europa und Deutschland' sowie den zeitlichen Skalen letzte ca. '30, 100 und 400 Jahre' die beobachtete Klimavariabilitaet zu beschreiben und in multipler Weise ursaechlich zu interpretieren. Das zentrale Ergebnis des deskriptiven Projektteils ist die Publikation (Kluwer, Dordrecht 1997; englisch) eines Europaeischen Klimatrendatlasses, der in insgesamt 316 Kartendarstellungen fuer 1891--1990 bzw. 1961--1990 die Trends der bodenahen Lufttemperatur, des Niederschlages, der Luftfeuchte (1961--1990) und des Luftdrucks fuer alle Monate des Jahres sowie die Jahreszeiten regional differenziert angibt. Ergaenzt werden diese Befunde durch einen entsprechenden Trendatlas Deutschland (Temperatur und Niederschlag) sowie eine Analyse 1961--1990 der Temperatur- und Druckgegebenheiten in der Troposphaere (ausgewaehlte Hoehenbereiche) und Stratosphaere. Im interpretierenden Projektteil ist mit Hilfe statistischer Methoden (Regressionen, neuronale Netze) global untersucht worden, inwieweit sich die Temperaturtrends sowie die Jahr-zu-Jahr-Variationen natuerlich (Vulkanismus, Sonnenaktivitaet, EI Nino) bzw. anthropogen (''Treibhauseffekt'', troposphaerische Sulfatpartikel) erklaeren lassen. Danach ist im globalen wie hemisphaerischen Mittel ab ca. 1850/60 der anthropogene ''Treibhauseffekt'' bereits dominierend, waehrend natuerliche Ursachen -- auch 400-jaehrig (nordhemisphaerisch mittelnde Analyse) demgegenueber eine untergeordnete Rolle spielen. Die gefundenen raeumlichen anthropogenen Signalmuster sind denen aufwendigerer Modellrechnungen (GCM) sehr aehnlichSIGLEAvailable from TIB Hannover: RA 3092(102)+a / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekBundesministerium fuer Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie, Bonn (Germany)DEGerman

Das 'Treibhaus'-Problem: Emissionen und Klimaeffekte. Eine aktuelle wissenschaftliche Bestandsaufnahme

This institute's report has two intentions: First, to present a general experts' opinion on the current discussion of anthropogenic climate effects ('greenhouse effect'), and secondly, a presentation of specific results of an analysis of El Nino/Southern Oscillation climate interdependences. The main section discusses anthropogenic trace gas emissions in the industrial age, the methodology of different climate models, the results of these models when applied to the 'greenhouse problem', the climate trends observed, and the multiple assessments for identification of 'climate signals' with the emphasis on 'greenhouse signals'. (orig/KW)Der vorliegende Institutsbericht verfolgt zwei Aufgabenstellungen: erstens eine allgemeine gutachterliche Stellungnahme zur aktuellen Diskussion anthropogener Aenderungen des Globalklimas ('Treibhauseffekt') und zweitens eine Darstellung spezieller Ergebnisse zur Analyse von El Nino/Southern Oscillation Klima-Beziehungen. Der Hauptteil beschaeftigt sich, mit den anthropogenen Spurengasemissionen in industrieller Zeit, der Methodik der verschiedenartigen Klimamodellrechnungen, den Ergebnissen dieser Modellrechnungen zum 'Treibhaus'-Problem, den beobachteten Klimatrends sowie den multiplen Abschaetzungen zur Trennung der Klima-'Signale' mit dem Schwerpunkt 'Treibhaus-Signale'. (orig./KW)SIGLEAvailable from TIB Hannover: RA 3092(96) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekRuhrgas AG, Essen (Germany)DEGerman

Trend- und multiple Signalanalyse globaler bzw. europaeischer Klimavariationen

The project report discusses global and European climate trends of the last 100 and 30 years and the climate signals resulting from the anthropogenic trace gase emissions (''greenhouse effect'') and from competing natural climate effects. Physical causes can be defined by a comparison with trends of potential influencing parameters, as is shown for the example of the global averaged ground level air temperature (1861-1990). Further, the variable trend analysis is applied to secular European climate data in a regionalizing manner in order to be able to describe the characteristic patterns of climate variation in consideration of the regional correlation. (orig./KW)Der vorliegende Projektbericht befasst sich mit globalen bzw. in Europa feststellbaren Klimatrends der letzten rund 100 bzw. 30 Jahre und mit den Klimasignalen, die sich dem anthropogenen Spurengaseinfluss (''Treibhauseffekt'') sowie damit in Konkurrenz stehenden natuerlichen Klimaeinflussmechanismen zuordnen lassen. Vergleiche mit Trends potentieller Einflussgroessen ermoeglichen die Zuordnung von physikalischen Ursachen, wie am Beispiel der global gemittelten bodennahen Lufttemperatur (1861-1990) demonstriert wird. Ausserdem wird die variable Trendanalyse auf saekulare europaeische Klimadaten regionalisierend angewendet, um unter Einbezug der raeumlichen Korrelation die charakteristischen Klimaaenderungsstrukturen zu beschreiben. (orig./KW)SIGLEAvailable from TIB Hannover: RA 3092(98)+a / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekBundesministerium fuer Forschung und Technologie (BMFT), Bonn (Germany)DEGerman

Struktur, Aufbau und statistische Programmbibliothek der meteorologischen Datenbank am Potsdam-Institut fuer Klimaforschung

The relational database management system (ORACLE) using different client interfaces (browser, SQL, precompiler) is the most important basis for data organization and storage. The creation of a data bank system at PIK includes: Acquisition of meteorological data series for the projects executed at PIK; development of a database structure on the basis of daily values; control, analysis and classification of data into given storage formats; development and application of statistical software. There are currently 20 different types of data sets with daily, monthly and annual data which are functionally interconnected and updated. All data sets are continuously updated. (orig.)Wesentliche Grundlage der Datenorganisation und -speicherung bildet das relationale Datenbanksystem ORACLE mit den dazugehoerigen Werkzeugen (Browser, SQL- und Precompiler). Die Entwicklung des Datenbanksystems am PIK umfasst folgende Etappen: - Erwerb von meteorologischen Datensaetzen fuer die am Institut laufenden Forschungsvorhaben; - Entwicklung einer Speicherstruktur auf der Basis von Tageswerten; - Kontrolle, Analyse und Einordnung der Daten in die vorgegebenen Speicherformate; - Entwicklung der zur Datennutzung notwendigen statistischen Programmbibliothek. Zur Zeit gibt es 20 verschiedene Typen von Datensaetzen. Sie enthalten taegliche, monatliche und jaehrliche Daten und sind funktional miteinander verbunden. Alle Datensaetze werden kontinuierlich erweitert. (orig.)Available from TIB Hannover: RR 5801(49) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekSIGLEDEGerman