Data-assimilaation menetelmät

Samankaltaiset tiedostot
LAPS: Testbedhavainnoista. analyysiksi. Janne Kotro Kaukokartoitus/Tutkimus

Synoptinen analyysi. Meteorologi Vesa Nietosvaara Ilmatieteen laitos. HydMet, /20

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Vinkkejä sään ennakointiin ja sään muutosten havainnointiin

pitkittäisaineistoissa

Pro gradu -tutkielma Meteorologia. Minna Alatalo HELSINGIN YLIOPISTO FYSIIKAN LAITOS

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Paloriskin ennustaminen metsäpaloindeksin avulla

pitkittäisaineistoissa

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Regressioanalyysi. Vilkkumaa / Kuusinen 1

Harjoitus 9: Excel - Tilastollinen analyysi

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I. Datan käsittely. Jyri Lehtinen. kevät Helsingin yliopisto, Fysiikan laitos

Tilastollinen aineisto Luottamusväli

Regressioanalyysi. Kuusinen/Heliövaara 1

Termiikin ennustaminen radioluotauksista. Heikki Pohjola ja Kristian Roine

Tilastollisen analyysin perusteet Luento 9: Moniulotteinen lineaarinen. regressio

Dynaamiset regressiomallit

Tiesäämallin asemaja hilaversion validointi. UbiCasting Workshop Marjo Hippi / Met. tutkimus

Mittaustekniikka (3 op)

Ilmastonmuutos ja ilmastomallit

9. Tila-avaruusmallit

Sään ennustamisesta ja ennusteiden epävarmuuksista. Ennuste kesälle Anssi Vähämäki Ryhmäpäällikkö Sääpalvelut Ilmatieteen laitos

805306A Johdatus monimuuttujamenetelmiin, 5 op

Estimointi. Vilkkumaa / Kuusinen 1

Todennäköisyyslaskun kertaus. Vilkkumaa / Kuusinen 1

Harjoitus 2: Matlab - Statistical Toolbox

1. Tilastollinen malli??

MS-A0502 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Johdatus regressioanalyysiin. Heliövaara 1

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Miten Suomen ilmasto muuttuu tulevaisuudessa?

Sään ja ilmaston vaihteluiden vaikutus metsäpaloihin Suomessa ja Euroopassa Understanding the climate variation and change and assessing the risks

Johtuuko tämä ilmastonmuutoksesta? - kasvihuoneilmiön voimistuminen vaikutus sääolojen vaihteluun

Tilastollisen analyysin perusteet Luento 11: Epäparametrinen vastine ANOVAlle

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 7: Pienimmän neliösumman menetelmä ja Newtonin menetelmä.

Aerosolimittauksia ceilometrillä.

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Dynaamiset regressiomallit

Mittaushavaintojen täsmällinen käsittelymenenetelmä

ABHELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Ilmastonmuutos pähkinänkuoressa

Ilmastonmuutos globaalina ja paikallisena ilmiönä

Auringonsäteily Suomessa ja Östersundomissa

Harjoitus 7: NCSS - Tilastollinen analyysi

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Johdatus regressioanalyysiin

Johdatus tilastotieteeseen Johdatus regressioanalyysiin. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

DEE Tuulivoiman perusteet

Maximum likelihood-estimointi Alkeet

Virhearviointi. Fysiikassa on tärkeää tietää tulosten tarkkuus.

Identifiointiprosessi

5.6.3 Matematiikan lyhyt oppimäärä

SMG-4500 Tuulivoima. Toisen luennon aihepiirit VOIMIEN YHTEISVAIKUTUKSISTA SYNTYVÄT TUULET

χ = Mat Sovellettu todennäköisyyslasku 11. harjoitukset/ratkaisut

ACCLIM II Ilmastonmuutosarviot ja asiantuntijapalvelu sopeutumistutkimuksia varten Kirsti Jylhä, Ilmatieteen laitos ISTO-loppuseminaari 26.1.

Tilastollisen analyysin perusteet Luento 2: Tilastolliset testit

Osa 2: Otokset, otosjakaumat ja estimointi

Hämeenlinna Jari Lindblad Jukka Antikainen

Johdatus tilastotieteeseen

Uusinta tietoa ilmastonmuutoksesta: luonnontieteelliset asiat

Inversio-ongelmien laskennallinen peruskurssi Luento 2

Yhden selittäjän lineaarinen regressiomalli (jatkoa) Ensi viikolla ei pidetä luentoa eikä harjoituksia. Heliövaara 1

Mistä tiedämme ihmisen muuttavan ilmastoa? Jouni Räisänen, Helsingin yliopiston fysiikan laitos

Ennustaminen ARMA malleilla ja Kalmanin suodin

Kojemeteorologia (53695) Laskuharjoitus 1

TTY Mittausten koekenttä. Käyttö. Sijainti

Kaksisuuntainen varianssianalyysi. Heliövaara 1

Helsinki Testbedin säätuotteet tänään ja tulevaisuudessa

Lentosääoppia harrasteilmailijoille

Testejä suhdeasteikollisille muuttujille

Ilmastonmuutos eri mittakaavatasoilla

Esimerkkejä vaativuusluokista

Tilastotieteen kertaus. Vilkkumaa / Kuusinen 1

Jatkuvat satunnaismuuttujat

Tilastollisen analyysin perusteet Luento 10: Johdatus varianssianalyysiin

Ilmatieteen laitos - Sää ja ilmasto - Ilmastotilastot - Terminen kasvukausi, määritelmät. Terminen kasvukausi ja sen ilmastoseuranta

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Tilastollisen analyysin perusteet Luento 8: Lineaarinen regressio, testejä ja luottamusvälejä

k=0 saanto jokaisen kolmannen asteen polynomin. Tukipisteet on talloin valittu

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 8. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 8 () Numeeriset menetelmät / 35

Mat Tilastollisen analyysin perusteet, kevät 2007

KEKKILÄ OY JA NURMIJÄRVEN KUNTA METSÄ-TUOMELAN YMPÄRISTÖPANEELI. Kekkilä Oy ja Nurmijärven kunta. Raportti

KEKKILÄ OY JA NURMIJÄRVEN KUNTA METSÄ-TUOMELAN YMPÄRISTÖPANEELI HEINÄKUU 2016

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

BOOTSTRAPPING? Jukka Nyblom Jyväskylän yliopisto. Metodifestivaali

Mittausepävarmuuden laskeminen

Ilmakehän jäätävien olosuhteiden havainnointi maanpinnalta tehtävän kaukokartoituksen avulla

Seurantatieto tarkentuu eri mittausmenetelmien tuloksia yhdistäen

Globaali näkökulma ilmastonmuutokseen ja vesivaroihin

Johdatus varianssianalyysiin. Vilkkumaa / Kuusinen 1

AurinkoATLAS - miksi mittaustietoa auringosta tarvitaan?

3.6 Su-estimaattorien asymptotiikka

Kone- ja rakentamistekniikan laboratoriotyöt KON-C3004. Koesuunnitelma: Paineen mittaus venymäliuskojen avulla. Ryhmä C

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Ilmanlaadun älykäs mallintaminen kaupunkiympäristössä. Lasse Johansson

Kertaus. MS-C2128 Ennustaminen ja Aikasarja-analyysi, Heikki Seppälä

Tilastollisen analyysin perusteet Luento 1: Lokaatio ja hajonta

Mittaustulosten tilastollinen käsittely

Transkriptio:

Data-assimilaation menetelmät Reima Eresmaa Ilmatieteen laitos HydMet: Sään ennustaminen * * 1

Sisältö Johdanto data-assimilaation maailmaan Numeerinen säänennustusmalli: peruskäsitteitä Säähavainnot Mitä havaintoja data-assimilaatiossa käytetään? Miten eri havainnot jakautuvat maantieteellisesti? Mitä ongelmia havaintojen hyödyntämiseen liittyy? Data-assimilaation tilastomatemaattisia perusteita 2

Johdanto Data-assimilaatio: heterogeenisen tiedon yhteensulauttaminen Meteorologiassa data-assimilaation tehtävänä on tuottaa vallitsevan säätilan analyysi numeeriselle ennustusmallille vrt. päivystävän meteorologin tekemä synoptinen analyysi Miten tietokone saadaan tekemään analyysi siten, että siitä johdetut ennusteet osuisivat kohdalleen mahdollisimman hyvin? Vallitsevan säätilan mahdollisimman realistinen kuvaus Numeeristen analyysimenetelmien kehitys on keskeinen osa säänennustusmallin kehitystyötä 3

Johdanto Ilmakehä on kaoottinen järjestelmä, jossa kaikki ilmiöt vuorovaikuttavat toistensa kanssa Tieto vallitsevasta säätilasta on ehdoton edellytys sääennusteen onnistumiselle vrt. ilmastomallit, joissa mallin alkutilanteen merkitys pyritään saamaan mahdollisimman pieneksi 4

Johdanto Analyysin on edustettava niitä ilmakehän ilmiöitä joita ennustusmallilla pyritään kuvaamaan planetaariset aallot synoptiset häiriöt mesomittakaavan ilmiöt pienimittakaavaiset ja ei-meteorologiset ilmiöt on suodatettava pois Analyysin on oltava fysikaalisesti uskottava jatkuvuus 5

Säänennustusmalli Mallihila Ilmakehämalli kuvaa sääsuureiden jakaumat kolmiulotteisessa mallihilassa ilmanpaine, lämpötila, kosteus ja tuulen pohjois- ja itäkomponentit Hilaruudun koko on nykyisin luokkaa 10km x 10km alueellisessa ilmakehämallissa 50km x 50km globaalissa ilmakehämallissa Malli sisältää tyypillisesti 30-60 laskentatasoa; alimmat kuvaavat rajakerrosta, ylimmät stratosfääriä Mallimuuttujien tyypillinen lukumäärä 20 000 000 6

Säänennustusmalli Operatiivinen toiminta Analyysi (an00, an06,... ) tuotetaan data-assimilaation menetelmin hyödyntäen havaintotietoa (ob00, ob06,... ) ja lyhyen aikavälin ennustetta (fc18+06, fc00+06,... ) Ennuste tehdään integroimalla mallia ajassa eteenpäin analyysistä lähtien 7

In situ -mittaukset Radioluotaukset lämpötila, kosteus ja tuuli pystyprofiilit havaintopaikan yltä Synoptinen havaintoverkko ja laivat pintailmanpaine, 10m tuuli, 2m lämpötila ja -kosteus pintahavaintojen merkitys (nykyään) melko vähäinen Lentokonehavainnot lämpötila, kosteus ja tuuli pystyprofiilit lentokenttien kohdalta vapaa ilmakehä lentoreittien varrella 8

Kaukokartoitusmenetelmät Sääsatelliitit irradianssi --> lämpötilan ja kosteuden pystyprofiilit (pintailmanpaine, pintatuuli) Säätutkaverkko (tutkaheijastuvuus --> sadealueen sijainti) tutkasäteen suuntainen tuulikomponentti --> 3D -tuulikenttä Tuulikeilaimet tuulen pystyprofiili (Navigointisatelliittijärjestelmät) 9

Havaintojen maantiet. jakautuminen: radioluotaukset 10

Havaintojen maantiet. jakautuminen: synop-havainnot 11

Havaintojen maantiet. jakautuminen: lentokonehavainnot 12

Havaintojen maantiet. jakautuminen: geostationääriset satelliitit 13

Havaintojen maantiet. jakautuminen: naparatasatelliitit 14

Eri havaintotyyppien merkitys (UK Met Office) Pohjoisella pallonpuoliskolla radioluotaukset ovat tärkein tietolähde Eteläisellä pallonpuoliskolla satelliittihavaintojen merkitys on suurin 15

Havaintoihin liittyviä ongelmia Ongelma: Havaintojen lukumäärä on yleensä kertaluokkaa pienempi kuin analyysiongelman vapausasteiden lukumäärä; ts. analyysiongelma on alimääritelty 16

Havaintoihin liittyviä ongelmia Ongelma: Havaintojen lukumäärä on yleensä kertaluokkaa pienempi kuin analyysiongelman vapausasteiden lukumäärä; ts. analyysiongelma on alimääritelty Ratkaisu: Käytetään alkuarvausta ilmakehän tilasta, eli ennakkokenttää; ennakkokenttänä käytetään yleensä edellisestä analyysistä johdettua lyhyen aikavälin ennustetta analyysiongelma muuttuu ylimääritellyksi ja siis ratkaistavaksi ennakkokentän hilapistearvot voidaan ajatella pseudohavaintoina, joten havaintojen kokonaismäärä on aina suurempi kuin analysoitavien hilapistearvojen määrä 17

Havaintoihin liittyviä ongelmia Ongelma: Havaintoasemaverkon geometria on epäsäännöllinen esim. valtamerillä asemaverkko on harva, ja mantereillakin varsin epähomogeeninen 18

Havaintoihin liittyviä ongelmia Ongelma: Havaintoasemaverkon geometria on epäsäännöllinen Esim. valtamerillä asemaverkko on harva, ja mantereillakin varsin epähomogeeninen Ratkaisu: Havaintojen mallintaminen ennakkokenttää käyttäen mallisuureiden interpolointi hilapisteiköstä havaintopisteisiin 19

Havaintoihin liittyviä ongelmia Ongelma: Havaintohetki ei ole sama kuin analyysihetki; säätilan muuttuminen havaintojenkeruujakson aikana 20

Havaintoihin liittyviä ongelmia Ongelma: Havaintohetki ei ole sama kuin analyysihetki; säätilan muuttuminen havaintojenkeruujakson aikana Ratkaisu: Voidaan ratkaista kytkemällä assimilointijärjestelmään dynaaminen ilmakehämalli (laskennallisesti vaativa menetelmä) Havaintojenkeruujakson (assimilointijakson) pitäminen riittävän lyhyenä ja analyysin tekeminen riittävän usein (käytännöllisempi ratkaisu) 21

Havaintoihin liittyviä ongelmia Ongelma: Havaintosuure ei välttämättä ole sama kuin analysoitava suure koskee erityisesti kaukomittauksia esim. sääsatelliitin mittaama irradianssi, jonka odotetaan tuovan tietoa ilmakehän lämpötilasta Ratkaisu: Havaintojen mallintaminen ennakkokenttää käyttäen mallisuureiden interpolointi hilapisteiköstä havaintopisteisiin havaintosuureen ja analyysisuureiden välinen fysikaalinen kytkentä 22

Havaintoihin liittyviä ongelmia Ongelma: Havaintoihin sisältyvä havaintovirhe satunnainen, systemaattinen ja karkea virhe edustavuusvirhe: havainto edustaa (pienimittakaavaisia) ilmiöitä, joita malli ei pysty käsittelemään Ratkaisu: Satunnainen virhe otetaan huomioon tilastomatemaattisin menetelmin Systemaattinen virhe pyritään poistamaan havainnoista Karkeasti virheelliset havainnot pyritään eliminoimaan Edustavuusvirheen vaikutus pienenee havaintojen määrän kasvaessa 23

Havaintoihin liittyviä ongelmia Edellä esitettiin ratkaisuja havaintojen hyödyntämiseksi numeerisesti tehtävässä säätilan analysoinnissa. Miten samat ongelmat voitaisiin ratkaista päivystävän meteorologin tekemän synoptisen analyysin yhteydessä? Havaintojen verraten pieni lukumäärä? Havaintoasemaverkon epäsäännöllinen geometria? Havaintohetki ei ole sama kuin analyysihetki? Havaintosuure ei ole sama kuin analysoitava suure? Havaintovirheet? 24

Data-assimilaation perusteet Tilastollinen lähestymistapa Sekä ennakkotieto että havainnot sisältävät aina satunnaisvirheen, jota ei tunneta satunnaisvirheen oletetaan yleensä noudattavan normaalijakaumaa Ilmakehän todennäköisimmän tilan määrittäminen perustuu pienimmän neliösumman menetelmään Esimerkki: Helsingin ulkoilman lämpötilan määrittäminen 25

Pienimmän neliösumman estimointi Esimerkki: ulkoilman lämpötilan määrittäminen Yksi mahdollinen tapa: Helsingin keskustassa sijaitsevan keittiön ikkunan vieressä olkoon lämpömittari, jonka mittaustarkkuus σ m tunnetaan. Mitataan lämpötila käyttäen keittiön ikkunan mittaria --> saadaan ulkoilman lämpötilalle estimaatti T m, jonka tarkkuus on σ m. Toinen mahdollinen tapa: Valtakunnan johtava sanomalehti julkaisee lämpötilaennusteita, joiden tarkkuus σ e oletetaan tunnetuksi. Luetaan sanomalehdestä tarkasteluajankohtaa vastaava Helsingin lämpötilaennuste --> saadaan ulkoilman lämpötilalle estimaatti T e, jonka tarkkuus on σ e. 26

Pienimmän neliösumman estimointi Esimerkki: ulkoilman lämpötilan määrittäminen Yhdistämällä kaksi toisistaan riippumatonta estimaattia (T m ja T e ), saadaan ulkoilman lämpötilasta tarkempi käsitys kuin pelkästään toiseen estimaattiin luottamalla Lasketaan lämpötilaestimaateista painotettu keskiarvo; annetaan keittiön ikkunalla tehdylle mittaukselle paino k ja sanomalehtiennusteelle paino (1-k). Painotetuksi keskiarvoksi tulee T p = kt m + (1-k)T e Miten kannattaa määrätä painokertoimet k ja (1-k)? Osoittautuu, että paras (tarkin) mahdollinen estimaatti lämpötilasta saadaan, kun painokertoimeksi asetetaan k = σ e 2 / (σ e2 +σ m2 ) 27

Data-assimilaation perusteet Tilastollinen lähestymistapa Ulkoilman lämpötila -esimerkki yleistyy myös huomattavasti monimutkaisempaan ja -ulotteisempaan meteorologiseen dataassimilaatio -ongelmaan Pienimmän neliösumman menetelmän soveltaminen säätilan analyysiin johtaa assimilointialgoritmeihin Optimaalinen interpolaatio (OI) Kolmiulotteinen variaatioassimilointi (3D-Var) Neliulotteinen variaatioassimilointi (4D-Var) 28

Data-assimilaation perusteet Mallisuureiden väliset kytkennät Oikein toimiessaan data-assimilaatio-järjestelmä ottaa huomioon analyysisuureiden väliset dynaamiset kytkennät Tällöin esim. yksittäinen lämpötilahavainto korjaa paitsi mallin lämpötilakenttää, myös tuulikenttää 29

Kirjallisuutta ym. Daley, R, 1991: Atmospheric data analysis. Cambridge University Press, 457 s. Kalnay, E, 2003: Atmospheric modeling, data assimilation and predictability. Cambridge University Press, 341 s. Bouttier F ja P Courtier, 1999: Data assimilation concepts and methods. ECMWF lecture note, 58 s. Understanding data assimilation http://meted.ucar.edu/nwp/pcu1/ic6/index.htm Ten common NWP misconceptions http://meted.ucar.edu/norlat/tencom/ 30