Niederschlag - Deutscher Wetterdienst

RCC Node-CM Produktbeschreibung
                          Version 1.4 (Februar 2022)

                             Niederschlag

1. Einleitung
Der Niederschlag ist neben der Temperatur eine der Hauptstandardvariablen im
Klimamonitoring. Als hydrometeorologische Größe ist er auch eine der
bedeutendsten Komponenten im Wasserkreislauf und steht daher in Beziehung zu
einer Reihe von anderen Klimavariablen (z.B. Wolken, Wasserdampf, Dürre). Es
ist weiterhin von existenzieller Bedeutung für viele Wirtschaftssektoren (z.B.
Land-, Wasser-, Energiewirtschaft, Tourismus, Bauwesen, Verkehr).

Da der Niederschlag räumlich sehr stark variiert, sind für diese Größe relativ viele
Stationen notwendig, um daraus sinnvolle Rasterdaten erstellen zu können.
Andererseits haben viele Wetterdienste auch ein eigenes Niederschlagsmessnetz,
d.h. die Anzahl der bei den Wetterdiensten vorliegenden Niederschlagsstationen
ist meist größer als bei anderen Variablen und geht i.d.R. weit über das SYNOP-
oder CLIMAT-Messnetz hinaus.

Im DWD wird das Weltzentrum für Niederschlagsklimatologie (WZN; engl.: Global
Precipitation Climatology Centre oder GPCC) betrieben. Im WZN werden weltweit
Niederschlagsdaten gesammelt, auf Qualität geprüft und zu monatlichen
Rasterdaten zusammengefasst. Die Rasterdaten werden frei über das Internet
verbreitet, während die zugrundeliegenden Stationsdaten nach einem Abkommen
mit den einzelnen nationalen Wetterdiensten nicht außerhalb des WZN abgegeben
werden dürfen.

Für den WMO RA VI RCC Netzwerkknoten für Klimaüberwachung (RCC Node-CM)
wurde entschieden, direkt die vom WZN bereitgestellten Niederschlagsraster zu
verwenden, da dort schon eine nahezu optimal erreichbare Stationsbasis vorliegt
und nicht zuletzt, um auch konsistente Daten innerhalb des DWD zu generieren.

Es liegen verschiedene Versionen der WZN-Raster vor, die sich durch verschiedene
Qualitätsstufen, aber auch durch verschiedene Verfügbarkeitszeiträume
unterscheiden. Je höher die Qualitätsstufe ist, desto später sind auch die
Rasterdaten verfügbar. Um hier einen Kompromiss zwischen schneller
Verfügbarkeit und möglichst hoher Datenqualität zu finden, werden für das RCC
Node-CM die beiden folgenden Rasterversionen des WZN verwendet:

   1. Die „First Guess Version“, die nur wenige Tage nach Ablauf eines Monats
      verfügbar ist, aber nur auf Daten des SYNOP-Netzes und einer
      automatischen Qualitätskontrolle basiert.
   2. Die „Monitoring Version“, die ca. 2 Monate nach Ablauf eines Monats
      verfügbar ist, die aber auch eine größere Stationsbasis und eine intensivere
      Qualitätskontrolle beinhaltet.
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                      Version 1.4 (Februar 2022)

2. Produkte
 monatliche Niederschlagssumme für         Zentraleuropa-Ausschnitt für die
         den aktuellen Monat               monatliche Niederschlagssumme

 Absolute Anomalie (Abweichung vom           Niederschlag in Prozent vom
        Referenzmittel in mm)                      Referenzmittel

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RCC Node-CM Produktbeschreibung
                         Version 1.4 (Februar 2022)

               Perzentile                             Perzentile

         Standardabweichung              Anzahl der Stationen pro Gitterpunkt

Es werden Karten der monatlichen Niederschlagssumme sowie absolute und
relative Anomalien für die Zeiträume 1951-2000, 1961-1990, 1981-2010 und
1991-2020 angeboten. Je nach Fragestellung und klimatischer Region kann die
absolute oder die relative Anomalie sinnvoller sein. Darüber hinaus werden auch
Perzentilkarten erstellt; sie zeigen, in welchen Gebieten sich die Monats- bzw.
Jahreszeiten- oder Jahresniederschläge unter den 10 oder 20% der tiefsten bzw.
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über den 80 oder 90% der höchsten Werte des betreffenden Kalendermonats
innerhalb eines längeren Zeitraumes (1951-2010) befinden und geben damit
Auskunft darüber, wo der betreffende Monat bzw. die Jahreszeit oder das Jahr
außergewöhnlich nass oder trocken war. Neben einem Ausschnitt, der die gesamte
RA VI Region und benachbarte Gebiete umfasst, wird auch ein vergrößerter
Ausschnitt für Zentraleuropa bereitgestellt.

Ab Januar 2022 stehen für die „Monitoring Version“ der monatlichen
Niederschlagshöhe auch Karten der Standardabweichung (Interpolationsfehler
nach Yamamoto) sowie der Anzahl der Stationen pro Gitterpunkt zur Verfügung.
Diese Produkte liefern Aussagen zur Qualität der Rasterdaten.

3. Spezifikationen
  •    geografische Region: Europa (Eckpunkte: 26.6°W, 27.4°N; 86.4°W,
       69.5°N; 37.3°E, 22.6°N; 93.5°E, 60.4°N, WMO RA VI Region und
       angrenzende Teilregionen), Zentraleuropa (Eckpunkte: 10.9°W, 43.4°N;
       16.5°W, 61.1°N; 22.7°E, 41.3°N; 33.0°E, 58.1°N
   •   räumliche Auflösung der Rasterdaten: 1°x1° (regelmäßiges Raster)
   •   zeitliche Auflösung: monatlich, jahreszeitlich, jährlich
   •   Projektion der Karten: gedrehtes regelmäßiges Breiten – Längengrad-
       Gitter, virtueller Nordpol: 180° Länge, 38°N Breite
   •   Verfügbarkeit: Summen und Anomalien 1951-2000: im Internet RCC
       Node-CM: 01/2004-heute, im WZN-Visualizer: ab 01/1901. Anomalien
       1961-1990 und 1981-2010: ab 01/2004, 1991-2020: ab 01/2021.
       Perzentile: ab 01/2013
   •   Aktualisierung: First Guess: bis zum 5. Tag des Folgemonats, Monitoring-
       Produkt: bis zu 2 Monaten nach Ablauf des Monats
   •   Format: png (Karten), NetCDF (gerasterte Daten), andere Formate auf
       Nachfrage
   •   Einheit: Summen, absolute Anomalien, Standardabweichung: mm pro
       Monat;    relative  Anomalien:    %    vom Mittel der angegebenen
       Referenzperioden; Perzentile: dimensionslos von 0 bis 1 (0.-100. Perzentil),
       Stationen pro Gitterpunkt: dimensionslos

4. Datenquelle
   •   Eingabedaten: monatliche WZN-Raster basierend auf Stationsdaten über
       Land.

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   •   Referenzwerte: WZN-Raster der mittleren Monatssummen 1951-2000
       (Referenzzeitraum vom WZN vorgegeben wegen der Robustheit der
       Niederschlagsdaten) bzw. 1961-1990, 1981-2010 oder 1991-2020.

5. Methodik
5.1. Rasterdaten

Alle Niederschlags-Rasterdaten der Summen werden direkt vom WZN
übernommen. Die Anomalien für 1951-2000, 1961-1990, 1981-2010 und 1991-
2020 werden aus den aktuellen Rastern und Mittelwertrastern des WZN berechnet.

Methodik der Rasterung des WZN: https://www.dwd.de/wzn

5.2. Perzentile

Die Eingangsdaten (WZN-Raster) wurden bis 2019 in eine Rasterdatenbank (mit
Software RASDAMAN) eingelesen. Unter Nutzung der RASDAMAN-Software
wurden für jeden Rasterpunkt und Monat (bzw. Jahreszeit oder Jahr) jeweils für
den Zeitraum 1951-2010 die Rasterwerte der Größe nach geordnet und
entsprechend ihrer Rangfolge Perzentilwerte zwischen 0 und 1 (entsprechend von
0 bis zum 100. Perzentil) direkt aus den Daten zugeordnet, ohne Annahme einer
theoretischen Verteilung. Fehlwerte wurden dabei nicht berücksichtigt. Die
Perzentile wurden nur für Gebiete berechnet, die im Zeitraum 1951-2010 für den
betreffenden Rasterpunkt durchschnittlich mindestens 10 mm Niederschlag
aufweisen (Ausgabemaske).

Für den aktuellen Monat (bzw. Jahreszeit oder Jahr) wird jeweils der
entsprechende Rasterwert mit den Perzentilwerten 1951-2010 verglichen. Wird
das 10. oder 20. Perzentil unterschritten oder das 80. oder 90. Perzentil
überschritten, erhält der Rasterpunkt eine entsprechende Kennung. Ebenso wird
eine weitere Kennung zugeordnet, wenn keine Perzentile berechnet werden
können (auf der Karte in weißer Farbe dargestellt).

Seit Januar 2020 werden die Perzentilraster basierend auf der First Guess Version
vom WZN berechnet und in gleicher Weise dargestellt.

5.3. Standardabweichung

Die Raster der Standardabweichung werden ebenfalls vom WZN bereitgestellt. Sie
liefern Informationen über den Interpolationsfehler. Nach dem Verfahren von
Yamamoto wurde dazu die Interpolationsvarianz ermittelt, indem die mittlere
quadratische Abweichung zwischen den Stationsdaten und dem zugehörigem
Rasterwert unter Berücksichtigung der Interpolationsgewichte berechnet wurde.
Um die Standardabweichung zu erhalten, wurden die Varianzen radiziert. Eine
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ausführliche Methodenbeschreibung ist in der entsprechenden Publikation von
Yamamoto zu finden.

5.4. Anzahl der Stationen pro Gitterpunkt
Auch dieses Raster wird vom WZN bereitgestellt. Hierzu werden die verwendeten
Stationen ausgezählt, die innerhalb eines Rasterpixels liegen.

5.5. Kartenerstellung

Die Rasterdaten werden für die Kartenerstellung mit CDO auf ein gedrehtes
regelmäßiges Breiten-Längengrad-Gitter in einer Auflösung von 0,1°x0,1° bilinear
interpoliert (CDO-Befehl: remapbil). Anschließend werden die rotierten
Gitterpunktdaten mithilfe eines R-Programms als Karte für den Europa- und
Zentraleuropa-Ausschnitt dargestellt.

5.6. Jahreszeiten und Jahr
Die Perzentile für die Jahreszeiten und das Jahr werden über alle Monatswerte der
betreffenden Jahreszeit bzw. des gesamten Jahres berechnet und entsprechend
als Karten dargestellt.

Seit Januar 2020 werden vom WZN auch die saisonalen und jährlichen Perzentile
bereitgestellt. Die Berechnung erfolgt aus den mittleren monatlichen Summen der
entsprechenden Jahreszeiten bzw. des Jahres.

5.7. Referenzdaten

Für die monatlichen, jahreszeitlichen und jährlichen Raster werden als Referenz
(Mittel 1951-2000, 1961-1990, 1981-2010, 1991-2020) ebenfalls ausschließlich
die vom WZN bereitgestellten Raster verwendet. Die Karten wurden entsprechend
wie oben beschrieben erstellt.

6. Qualität / Verwendung
Diese Produkte werden zum Zweck der Klimaüberwachung verwendet, d.h. für die
großräumige klimatologische Interpretation von Karten. Einzelne Punkte können
eine hohe Unsicherheit haben, weil die Stationsdichte im Gebiet ziemlich heterogen
und limitiert ist. Einige Rasterpunkte, vor allem in Mitteleuropa sind durch sehr
viele Stationen belegt, andere (z.B. Grönland) nur durch sehr wenige oder durch
reine Interpolation. Die 1°x1°-Auflösung der WZN-Raster ist relativ grob, so dass
einzelne Raster nur als Stationsmittelwert repräsentativ sind. An einzelnen Orten
kann die Niederschlagssumme vom Rastermittelwert erheblich abweichen und
auch als Flächenmittel sind die Rasterwerte nur als Näherung anzusehen. Für

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kleinräumige Anwendungen (z.B. lokale Wasserbilanzbetrachtungen) ist dieser
Datensatz daher nicht geeignet.

Die Monitoring-Version ist der First-Guess-Version zwar großräumig meist sehr
ähnlich, kann aber im Einzelfall auch sehr stark davon abweichen wegen
zusätzlicher Stationen und aufgrund der intensiveren Qualitätskontrolle. Aus
diesem Grund werden im Internet zwar zunächst die First Guess-Karten
dargeboten, aber sobald die Monitoring-Version vorliegt, werden die First Guess-
Karten durch die Monitoring-Karten ersetzt. Entsprechende Anwendungen sollten
daher soweit möglich auf die Monitoring-Version zurückgreifen bzw. bei der First-
Guess-Version den Hinweis hinzufügen, dass es sich hierbei um vorläufige Daten
handelt.

7. Referenzen
WZN-Hintergrundinformation:
https://www.dwd.de/wzn

Nutzeranleitung:
https://code.mpimet.mpg.de/projects/cdo/embedded/cdo.pdf

Interpolationsvarianz nach Yamamoto:
Yamamoto, J.K. An Alternative Measure of the Reliability of Ordinary Kriging
Estimates. Mathematical Geology 32, 489–509 (2000).
https://doi.org/10.1023/A:1007577916868

8. Versionsgeschichte
 Version    Datum      Beschreibung der Änderungen
 1.0        01.2013    erste operationelle Version mit neuem Kartenausschnitt
 1.1        08.2016    Karten für Referenzperioden 1961-1990 und 1981-2010
                       sowie für Perzentile ergänzt
 1.2        03.2020    Perzentilberechnung durch WZN
 1.3        02.2021    Karten für Referenzperiode 1991-2020 ergänzt
 1.4        02.2022    Karten Standardabweichung und Stationen pro Gitter-
                       punkt ergänzt

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9. Kontakt
Deutscher Wetterdienst
RCC Node-CM (WMO RA VI)
Frankfurter Str. 135
63067 Offenbach
Deutschland

E-Mail: rcc.cm@dwd.de

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