Original paper

The estimation of analysis error characteristics using an observation systems simulation experiment

Errico, Ronald M.; Yang, Runhua; Masutani, Michiko; Woollen, John S.

Meteorologische Zeitschrift Vol. 16 No. 6 (2007), p. 695 - 708

published: Dec 17, 2007

DOI: 10.1127/0941-2948/2007/0242

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Abstract

Observation system simulation experiments (OSSEs) have been performed at the National Centers for Environmental Prediction primarily for the purpose of evaluating the forecast improvement potential of proposed new observation instruments. The simulations have been validated primarily by comparing results from corresponding data denial experiments in both simulated and real data assimilation contexts. Additional validation is presented here using comparisons of some statistics of analysis increments determined from a baseline simulation using the entire suite of observations utilized during a reanalysis for February 1993. By exploiting the availability of a data set representing "truth" in the simulations, the background and analysis errors produced for the baseline simulation are computed. Several statistics of these errors are then determined, including time means and variances as functions of location or spherical harmonic wave number, vertical correlations, Kalman gains, and balance as measured by projections onto normal modes. Use of an OSSE in this way is one of the few means of estimating analysis error characteristics. Although these simulation experiments are among the best calibrated ones existing, the additional validation here indicates that some unrealism remains present. With this caveat, several interesting characteristics of analysis error have been revealed. Among these are that: longitudinal variations of error variances in the Northern Hemisphere have a similar range as latitudinal variations; corresponding background and analysis error variances are very similar in most regions so that the Kalman gains are generally small with the notable exception of regions and times well observed by rawindsondes; correlation lengths (both vertical and horizontal) are very similar for background and analysis errors; error variances at horizontal scales shorter than those corresponding to approximately spherical harmonic wavenumber 70 are as large as corresponding variances of the fields themselves; approximately 30 % of the error energy resides in gravitational normal modes; and the variance spectrum of the wind error is approximately white for scales below its peak near wavenumber 20.

Kurzfassung

An den National Centers für Environmental Prediction (NCEP) wurden Beobachtungssystem-Simulations-Experimente (OSSEs) mit dem primären Ziel durchgeführt, potentielle Verbesserungen in der Vorhersage auf Grund neuer Beobachtungen zu evaluieren. Diese Simulationen wurden in erster Linie dadurch evaluiert, dass Ergebnisse von Experimenten miteinander verglichen wurden, in denen in simulierten und operationellen Datenassimilationsumgebungen Daten entweder verwendet oder nicht verwendet wurden. Hier wird eine weitere Evaluierung vorgestellt, in welcher Vergleiche von Statistiken von Analyseinkrementen verwendet werden, die aus einer Referenzsimulation bestimmt wurden, die sämtliche Beobachtungen verwendet, die für eine Reanalyse des Februar 1993 zur Verfügung standen. Unter Verwendung der Wahrheit in den Simulationen werden Hintergrund- (background) und Analyse-Fehler für die Referenzsimulation berechnet. Dann werden eine Reihe von Statistiken dieser Fehler bestimmt, darunter zeitliche Mittel und Varianzen als Funktionen des Orts oder der Wellenzahl (basierend auf sphärischen Basisfunktionen), vertikale Korrelationen, Kalman Gewichte, und Balance (beschrieben durch Projektionen auf Normalmoden). Die Verwendung von OSSE Experimenten ist eine der wenigen Methoden, auf Grund derer die Eigenschaften von Analysefehlern abgeschätzt werden können. Diese Simulationsexperimente gehören zu den am besten kalibrierten Experimenten, die derzeit verfügbar sind. Dennoch zeigt diese zusätzliche Validierung, dass unrealistische Züge vorhanden sind. Unter Berücksichtigung dieser werden hier einige interessante Eigenschaften von Analysefehlern aufgedeckt. Dazu gehören: Variationen in Nord-Südrichtung der Fehlervarianzen haben auf der Nordhemisphäre eine ähnliche Streubreite wie die Variationen in West-Ostrichtung. Die sich entsprechenden Backgound- und Analysefehlervarianzen sind in den meisten Gebieten sehr ähnlich, sodass die Kalmangewichte im allgemeinen sehr klein sind: eine bemerkenswerte Ausnahme besteht in jenen Gebieten und zu jenen Zeiten, welche durch Radiosonden gut beobachtet sind. Längenskalen für vertikale und horizontale Korrelationen sind für Background und Analysefehler sehr ähnlich. Fehlervarianzen auf horizontalen Skalen, die kleiner sind als der Wellenzahl 70 entspricht, sind so groß wie die entsprechenden Varianzen der Felder selbst. Etwa 30 % der Energie der Fehler wird von den Gravitations-Normalmoden getragen. Das Varianzspektrum des Windfehlers ist auf Skalen unterhalb des Maximums nahe der Wellenzahl 20 nahezu weiss.