Original paper

Impact of profile observations on the German Weather Service's NWP system

Cress, Alexander; Wergen, Werner

Meteorologische Zeitschrift Vol. 10 No. 2 (2001), p. 91 - 101

published: Apr 25, 2001

DOI: 10.1127/0941-2948/2001/0010-0091

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Abstract

In preparation for a study on the potential impact of a space-borne Doppler wind lidar on the quality of NWP products, a series of assimilations and forecasts were conducted to estimate the potential benefit of conventional wind and temperature profile measurements over North America to numerical weather forecasts for the Northern Hemisphere and specifically, Europe. A comparison of the forecast quality of a control run, using all available observations, to experiments omitting wind and temperature data from specific instruments (radiosondes, pilot stations and aircraft) makes it possible to estimate the importance of the omitted data, and clarify whether winds derived from the geostrophic relation are sufficient or whether observed wind profiles result in a more realistic definition of the initial state for numerical weather prediction systems in the extra-tropic regions. Very little impact on forecast quality was noted when wind or temperature observations from radiosondes and pilots were excluded from the assimilation process. However, a clear deterioration in forecast quality was observed when additionally all available wind or temperature measurements from aircraft were also withheld. Comparisons of the relative utility of wind and temperature observations over North America show that assimilations and forecasts derive more benefit from wind data than from temperature data. The greatest deterioration could be observed if both wind and temperature observations were omitted from the assimilation cycle. By tracing the differences between the control forecasts and the experimental forecasts to their initial difference, the regions around Hudson Bay, Novia Scotia, Buffin Bay and Northern Canada could be identified as sensitive areas, i.e. those where a missing observation could have a substantial effect on the forecast for the Northern Hemisphere and Europe. Comparisons of the relative utility of radiosonde wind and temperature observations over Canada and Alaska to numerical weather forecast quality, in contrast to the sonde and aircraft network over the United States, reveal the importance of the conventional radiosonde network in the higher northern latitudes.

Kurzfassung

Im Rahmen von Untersuchungen des möglichen Einflusses satellitengestützter Windprofilbeobachtungen auf die NWV wird in einer ersten Studie die grundsätzliche Bedeutung von Wind- und Temperaturmessungen für die Qualität der numerischen Wettervorhersage untersucht werden. Durch Vergleich der Vorhersagequalität eines Kontrolllaufs, der alle verfügbaren Beobachtungen enthält, mit Experimenten, die keine Wind- und Temperaturmessungen spezifischer Instrumente (Radiosonden, Pilotstationen und Flugzeuge) berücksichtigen, kann die jeweilige Bedeutung der nicht genutzten Beobachtungsinstrumente für die NWV abgeschätzt werden. Außerdem kann die Frage untersucht werden, ob näherungsweise aus den Druckfeldgradienten abgeleitete ''geostrophische'' Winde echte Windmessungen in der Datenassimilation ersetzen können. Wenig Einfluss auf die Vorhersagequalität wurde festgestellt, wenn Wind- oder Temperaturbeobachtungen von Radiosonden und Piloten von der Assimilation entfernt wurden. Erst wenn zusätzlich alle Windoder Temperaturbeobachtungen von Flugzeugen ausgeschlossen wurden, konnte ein deutlicher Einfluss auf die Vorhersagequalität beobachtet werden, wobei Windbeobachtungen einen größeren Einfluss ausübten als Temperaturbeobachtungen. Der stärkste Einfluss wurde sichtbar, sobald sowohl Wind- als auch Temperaturmessungen aus dem Assimilationszyklus ausgeschlossen wurden. Verfolgt man die zeitliche Entwicklung der Differenzen zwischen Routinevorhersage und Vorhersage ohne die Benutzung von Wind- und/oder Temperaturbeobachtungen, so konnten die Regionen um die Hudson Bay, Neufundland, Baffin Bay und das arktische Kanada als sensitive Regionen ermittelt werden, in denen fehlende Beobachtungen wesentlich die Vorhersagequalität beinflussen können. Untersuchungen des Einflusses der Wind- und Temperaturbeobachtungen der konventionellen Radiosondennetzwerke über Kanada und den USA verdeutlichten die Wichtigkeit von Radiosondenmessungen in höheren nördlichen Breiten.