- An operational phenological
model for numerical pollen model for numerical pollen prediction
Helfried Scheifinger and Elisabeth Koch ZAMG Siegfried Jäger and Uwe Berger SciCon Science Pharma Consulting GmbH Robert Neumcke mindshape freiburg
An operational phenological model for numerical pollen model for - - PowerPoint PPT Presentation
An operational phenological model for numerical pollen model for numerical pollen prediction Helfried
Helfried Scheifinger and Elisabeth Koch ZAMG Siegfried Jäger and Uwe Berger SciCon Science Pharma Consulting GmbH Robert Neumcke mindshape freiburg
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
COST ES0602, COST ES0603 and WMO Joint Workshop Chemical and Biological Weather Forecasting: State of the art and future perspectives – Conclusions –
Natural allergenic species, in particular, pollen, are an
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Natural allergenic species, in particular, pollen, are an air quality issue of major concern. Allergies are increasing globally and the projected health impacts are alarming. Still, harmful allergenic species are currently not controlled by regulatory policies and measures.
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
COST ES0602, COST ES0603 and WMO Joint Workshop Chemical and Biological Weather Forecasting: State of the art and future perspectives – Conclusions –
The adverse health effects could also be reduced by
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
The adverse health effects could also be reduced by implementing and using forecasting and information systems for harmful allergenic species, e.g., By issuing pre-warnings for susceptible population
positive impact in several countries but their implementation requires broad-scale operational arrangements and a legislative basis.
Wichtigkeit und Motivation
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Numerical pollen forecast via numerical weather forecast +
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
atmospheric transport (chemistry) model
Wichtigkeit und Motivation
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Example chemical weather forecast. Input: Emission inventory Output from NWF models … and it works
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
… and it works Numerical pollen forecast. Input: No emission inventory for pollen
Plan
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
No emission inventory for pollen Solution: model pollen emission
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Output:
24.06.2010 Scheifinger
Assumption: phenological inception of flowering = begin of potential pollen emission into the atmosphere
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Model inception of flowering of pollen emitting
24.06.2010 Scheifinger
First step towards NPFC As stand alone real time phenological maps support qualitative pollen forecast
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
support qualitative pollen forecast
24.06.2010 Scheifinger
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Scientific name Common name
Phase
Acer platanoides Norway mapple
First flowers open
Aesculus hippocastanum Horse chestnut
First flowers open
Alnus glutinosa Black alder
Beginning of flowering
Alopecurus pratensis Foxtail grass
Beginning of flowering
Artemisia vulgaris Mugwort
Beginning of flowering
Betula pendula Silver Birch
Beginning of flowering
Corylus avellana Common hazel
Beginning of flowering
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Corylus avellana Common hazel
Beginning of flowering
Forsythia suspensa Forsythia
First flowers open
Fraxinus excelsior Common ash
First flowers open
Salix caprea Goat willow
First flowers open
Sambucus nigra Elder
First flowers open
Syringa vulgaris Lilac
First flowers open
Tilia cordata Small leaved lime
First flowers open
Secale cereale (winter) Rye
First flowers open
24.06.2010 Scheifinger
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Select a phenological model
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilung
2
f t
b f
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
1
f t
b b f
Select a phenological model
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilung
100 200 300 ure (1/10°C) 6000 8000 10000
um (1/10° C days)
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
1 31 61 91 121
Yearday
100 Temperatu 2000 4000
Temperature su entry date = function(mean daily temperature, begin date of summation, temperature sum at entry date, temperature threshold)
Select a phenological model
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilung
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Select a phenological model
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilung
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Select a phenological model
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilung
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Select a phenological model
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Lilac bf, Birzai (Lith.), 56° N
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Lilac bf, Birzai (Lith.), 56° N
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Lilac bf, Birzai (Lith.), 56° N
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Lilac bf, Birzai (Lith.), 56° N
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Lilac bf, Birzai (Lith.), 56° N
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Lilac bf, Birzai (Lith.), 56° N
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Lilac bf, Birzai (Lith.), 56° N
Subjectively selected „optimum“ temp sum commencement date (yd 61) LT mean entry date: 142 – 132 No unique degday/tempthr pair!
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Methods
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilung
24.06.2010 Scheifinger
Lilac bf, Birzai (Lith.), 56° N
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Lilac bf, Birzai (Lith.), 56° N
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Lilac bf, Birzai (Lith.), 56° N
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Lilac bf, Birzai (Lith.), 56° N
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Lilac bf, Birzai (Lith.), 56° N
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Lilac bf, Rijeka (Croatia), 45° N Lilac bf, Birzai (Lith.), 56° N
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
RMSE distribution in Birzai very different from that in Rijeka: lowest RMSE at higher temp/lower tsums in Birzai and lower temp/higher tsums in Rijeka yd 41 best temp sum commencement date for Rijeka, 20 days before Birzai
24.06.2010 Scheifinger
Lilac bf, Rijeka (Croatia), 45° N Lilac bf, Birzai (Lith.), 56° N
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
As first approximation a linear relationship, temperature sum as function of temperature threshold. Restricted to those elements of the LUT, which are members of the lowest 5% percentile.
24.06.2010 Scheifinger
Relationship between temperature threshold and temperature sum at a station very strict (Syringa vulgaris bf):
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Relationship between regression parameters and station coordinates noisy and weak: Shift = f(phi)
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Relationship between regression parameters and station coordinates noisy and weak: Slope = f(lamda)
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Modelling of TSM parameters in space is not trivial There exist weak relationships between TSM
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
There exist weak relationships between TSM parameters and space, which can be used for modelling of TSM parameters in space I am still searching for a suitable mathematical procedure to model TSM parametes in space satisfactorily
24.06.2010 Scheifinger
Three common assumptions concerning TSMs shattered:
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
parameters finds the best solution.
work
24.06.2010 Scheifinger
Three common assumptions concerning TSMs shattered:
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
parameters anywhere in the world.
24.06.2010 Scheifinger
The TSM parameters calculated at the climate stations are being interpolated to the ECMWF model grid via HRIDW
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Spatial cross validation TSM run with interpolated TSM parameters, TSM run with TSM parameters deduced with
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
TSM run with TSM parameters deduced with
results (RMSE) compared with observed entry dates at ECSN stations
24.06.2010 Scheifinger
Validation
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Validation
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Subjectively compared model output in Vienna with current development of vegetation, where I live and work
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
I live and work Model 1 to 2 weeks behind Checked ECMWF 2 m temperature data and found negative bias of 1 – 2° C !!!!
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Need to implement MOS correction
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
show a large scatter (Siljamo et al., 2008)
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
space => not real
deviation from historical phenological observations
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Two sources of scatter:
entry dates = genetic differences, topography,
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Standard deviation on 0.25°grid, height reduced (mindist 20 km,
maxdist 100 km, minstat 10 Stationen)
Mean of 5 seasons 2000 – 2004 In case of no data total mean value = 5.16 days
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Standard deviation on 0.25°grid, height reduced (mindist 20 km,
maxdist 100 km, minstat 10 Stationen)
Mean of 5 seasons 2000 – 2004 In case of no data total mean value = 7.75 days
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Standard deviation on 0.25°grid, height reduced (mindist 20 km,
maxdist 100 km, minstat 10 Stationen)
Mean of 5 seasons 2000 – 2004 In case of no data total mean value = 9.89 days
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Two sources of scatter:
area, the smaller (greater) this standard
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
area, the smaller (greater) this standard deviation: s2 = st * k
s2 : Standard deviation through topography (days) st : Standard deviation of topography (m) k: Slope of entry dates (days/m)
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Standard deviation of topography (ECMWF) ECMWF grid 0.25°
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Standard deviation of topography * slope (0.03 days/m e.g.) ECMWF grid 0.25°
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Suggestion: max(height reduced s, s from topography)
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
max(height reduced s, s caused by top) ECMWF grid 0.25°
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
0.25°ECMWF grid too coarse. Wrong elevations in and around the Alps Interpolation to GTOPO30 1 km grid
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Interpolation to GTOPO30 1 km grid 25 106 grid points, special procedure, takes a few minutes to calculate
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
24.06.2010 Scheifinger
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Results
24.06.2010 Scheifinger KS Ost Klima
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Results
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Results
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Results
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Results
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Results
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Results
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilu ng
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Wichtigkeit und Motivation
24.06.2010 Scheifinger Umweltabteilung
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik