48
Pr&In (ARPA Bologna, Feb 2015) Roberto Buizza: The forecast skill horizon 1 Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for Medium-Range Weather Forecasts The forecast skill horizon

Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  1  

Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for Medium-Range Weather Forecasts

The forecast skill horizon

Page 2: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  2  

L2

Synopsis  of  my  three  lectures  

§  L1  -­‐  Ensembles:  why?  And  how  have  we  designed  them  at  ECMWF?    

Ø  A  complete  solu>on  of  the  weather  predic>on  problem  can  be  stated  in  terms  of  an  appropriate  probability  density  func>on  (PDF)  

Ø  Ensemble  predic>on  based  on  a  finite  number  of  integra>ons  is  the  only  feasible  method  to  predict  the  PDF  of  forecast  states  

Ø  At  ECMWF,  ini>al  uncertain>es  are  simulated  using  EDA-­‐  and  SV-­‐based  perturba>ons,  and  model  uncertain>es  with  two  stochas>c  schemes  

§  L2  –  Ensemble  forecast  skill:  how  could  we  measure  it?    

Ø  Reliability  is  an  important  property  that  probabilis>c  systems  must  have    Ø  Different  metrics  should  be  used  to  evaluate  the  quality  of  probabilis>c  

forecasts  (BS  and  BSS,  reliability  diagrams,  ROCA,  V,  EFI  and  its  metric)  to  highlight  different  aspects  of  their  quality  

L1

Page 3: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  3  

Synopsis  of  my  three  lectures  

§  L3  –  Predictability:  where  is  the  Forecast  Skill  Horizon  (FiSH)?    

Ø  There  is  not  a  unique  defini>on  of  forecast  skill  limit:  the  forecast  skill  horizon  (the  FiSH  length)  depends  on  the  field  (scale,  variable,  region)  

Ø  The  forecast  skill  horizon  is  well  beyond  2  weeks  even  for  local,  instantaneous  fields,  thus  confirming  results  published  in  literature  that  certain  phenomena  (MJO,  NAO,  blocking,  ..)  can  be  predicted  beyond  2  weeks  

 

L3

Page 4: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  4   ©  ECMWF  

1)  Context  2)  Ensembles:  why?  3)  Where  is  the  forecast  skill  horizon?  Why  is  it  there?  4)  Conclusions  

Outline  

Page 5: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  5   ©  ECMWF  

Context:  where  is  the  forecast  skill  horizon  (FiSH)?  

The  view  so  far  has  been  that  local,  daily  values  can  be  predicted  only  up  to  about  2  weeks.    ‘…  the  range  of  predictability  (is  defined  as)  the  >me  interval  within  which  the  errors  in  predic>on  do  not  exceed  some  pre-­‐chosen  magnitude  …’      ‘..  the  range  of  predictability  is  about  16.8  days  ..’    ‘..  these  results  ..  offer  liEle  hope  for  those  who  would  extend  the  two-­‐week  goal  to  one  month  …  ’    

(Lorenz,  1969)    

Page 6: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  6   ©  ECMWF  

The  forecast  skill  horizon:  the  view  of  the  1970s-­‐80s  

30    

25    

20    

15    

5    

0  

Fc day

FiSH No skill

Forecast  skill  horizon  (@    ̴  2  weeks)  

Page 7: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  7   ©  ECMWF  

An  elongated  area  with  some  severe  

thunderstorms  producing  localised  flash  floods  

21  Feb  2013:  flash  flood  in  Catania.  

Today  we  can  predict  severe  events  few  days  ahead  

Page 8: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  8   ©  ECMWF  

Day3   Day1  

Day5  Day7  

PR(TP>10mm/d):  a  week  signal  of  increased  chance  for  larger  precip  is  present  in  the  area  even  up  to  7  days  in  advance  

21  Feb  2013:  flash  flood  in  Catania.  

Today  we  can  predict  severe  events  few  days  ahead  

Page 9: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  9   ©  ECMWF  

Day7  

Day5  

Day3  

Day1  

Today  we  can  predict  severe  events  few  days  ahead  

Page 10: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  10   ©  ECMWF  

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Cor

rela

tion

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

YEAR

NAO Correlation

MJO in IC NO MJO in IC

The  skill  of  monthly  forecasts  have  been  con>nuously  improving  both  in  the  tropics  for  the  MJO  (top  leg)  and  the  extra-­‐tropics  for  the  NAO  (top  right).      Improvements  in  the  physics  have  led  to  beher  teleconnec>on  between  tropics  and  extra-­‐tropics  (bohom).  

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Fore

cast

Day

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

YEAR

NAO Correlation

0.5 0.6 0.8

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

Fore

cast

Day

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

YEAR

MJO Bivariate Correlation

0.5 0.6 0.8

NH  –  NAO  (11d)  

TR  –  MJO  (26d)  

Large-­‐scale  events  can  be  predicted  weeks  ahead  

(From  Frederic  Vitart)  

Page 11: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  11   ©  ECMWF  

Italy's  electricity  prices  jumped  in  June  and  power  trade  volumes  improved  as  a  heat  wave  boosted  demand,  Italian  energy  markets  operator  GME  said  on  Friday  (Reuters,  13  July).    

2mT  9-­‐15  July  2012  

5  July  +5-­‐11  days  

21  June  +19-­‐25  days  

Large-­‐scale  events  can  be  predicted  weeks  ahead  

Page 12: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  12   ©  ECMWF  

The  tropics  remain  the  area  where  seasonal  predic>on  has  the  highest  skill,  as  indicated  e.g.  by  the  accuracy  of  1-­‐year  forecasts  of  SST  anomaly  in  the  Nino3.4  area.  

1 Nov ‘11 > Nov ‘12

Tropics:  El-­‐nino  SST’  can  be  predicted  months  ahead  

1 Nov ‘12 > Nov ‘13 1 Nov ‘13 > Nov ‘14

Page 13: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  13   ©  ECMWF  

Some_mes  EU-­‐2mT’  also  can  be  predicted  months  ahead  

Est  EU  MJJ12.    Since  Feb  S4  predicts  75%  probability  of  below  normal  condi>ons.  

S4 SPI(MJJ) – 1Feb+456m S4 SPI(MJJ) – 1May+123m

SPI(MJJ) – ERA-I

(From  Fredrik  WeEerhall)  

Page 14: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  14   ©  ECMWF  

30    

25    

20    

15    

5    

0  

Fc day

FiSH No skill

How  can  we  conciliate  these  viewpoints?  

Is  the  forecast  skill  horizon  at  2  weeks  as  thought  in  the  1970s-­‐80s?    Or  is  it  longer?    How  did  we  manage  to  push  the  limit  beyond  2  weeks?  

Page 15: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  15   ©  ECMWF  

How  can  we  conciliate  these  viewpoints?  

 We  aim  to  address  the  following  key  ques>ons:    1.  If  we  consider  local,  instantaneous  Z500  fcs,  where  is  the  forecast  skill  horizon  (how  

long  is  the  FiSH)?  2.  Does  it  make  sense  to  talk  very  generally  about  a  forecast  skill  horizon  or  should  we  

qualify  its  defini>on?  3.  Can  we  develop  a  unifying  framework  that  allows  us  to  compare  in  a  clear  way  the  

skill  of  forecasts  of  different  variables  at  different  scales  and  over  different  regions?  

Page 16: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  16   ©  ECMWF  

1)  Context  2)  Ensembles:  why?  3)  Where  is  the  forecast  skill  horizon?  Why  is  it  there?  4)  Conclusions  

Outline  

Page 17: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  17   ©  ECMWF  

fc0

fcj

reality

PDF(0)

PDF(t)

Forecast time

To  predict  the  >me  evolu>on  of  the  probability  density  func>on  of  forecast  states.      In  other  words,  to  predict  the  most  likely  scenario  and  its  uncertainty,  expressed  e.g.  in  terms  of  probabili>es  of  weather  events,  to  es>mate  the  forecast  confidence,  ..    

Ensembles:  why?    

Page 18: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  18   ©  ECMWF  

 ENS51  S451  

HRES      

EDA25  

ORAS45  

ERA   4DV  

PDF(0)  <<  4DV+EDA25+ORAS45  PDF(0)  <<  ERA+ORAS45  (the  past)  PDF(T)  <<  HRES+ENS51/S451  

System  components  simulate  the  effect  of:  •  Observa_on  uncertain_es  •  Model  uncertain_es  (2  stochas_c  schemes)  

2014:  ensembles  are  used  in  analysis  and  forecast  modes  

Page 19: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  19   ©  ECMWF  

The  ECMWF  IFS  (2013)  and  the  coupled  ocean-­‐atm  ENS  

ORTAS45 Real Time Ocean Analysis ~8 hours

HRESTL1279L91 (d0-10)

ENS51

TL639L62 (d 0-10)TL319L62 (d10-32)

Atmospheric model

Wave model

Ocean model (d0)

Atmospheric model

Wave model

EDA11

TL399L91

NB:  ver>cal  resolu>on  was  increased  in  2013:  since  June  EDA  and  HRES  have  been  using    L137  and  ENS  L91;  EDA  members  also  increased  to  25.  

Page 20: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  20   ©  ECMWF  

Background  error  correla>on  length  scale  for  long(pmsl)  and  pmsl  

km  

Ensembles  are  now  used  to  es_mate  flow  dependent  stats  

The  EDA  provides  4DV-­‐HRES  with  flow  dependent  background  error  co-­‐variances.  EDA-­‐based  perturba>ons  have  been  used  to  generate  ENS  ini>al  perturba>ons  since  May  2010.    

• Un-­‐pert  obs  • EDA  var/co-­‐var  

4DV00  

• Sta>c  Jb  • Perturbed  obs  • Model  err  

EDA00   • Un-­‐pert  obs  • EDA  var/co-­‐var  

4DV12  

Page 21: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  21   ©  ECMWF  

ENS  re-­‐fc  suite  to  es_mate  the  model-­‐climate  

51m  ENS  is  run  twice  a  week  up  to  32d.    A  5m  ENS  is  run  for  the  past  20y  to  es>mate  the  M-­‐climate  (re-­‐fc  suite).    ENS  fcs  have  been  bias-­‐corrected,  with  bias  computed  using  500  ENS  re-­‐fcs  [5w*(5m*20y)].    A  reference  100m  climatological  ensemble  (CLI)  has  been  defined  by  32d  consecu>ve  analyses  (with  the  same  IC  as  the  ENS  refc).    

20y

51 T639 L62

51 T319 L62

2013

5 5 5 5

5 5 5 5

5 5

…28 6 13 20 27 March …

2012

5 5 5 5

5 5 5 5

5 5

5 5 5 5

5 5 5 5

5 5

2011

5 5 5 5

5 5 5 5

5 5

2010

1993

…..

Page 22: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  22   ©  ECMWF  

1)  Context  2)  Ensembles:  why?  3)  Where  is  the  forecast  skill  horizon?  Why  is  it  there?  4)  Conclusions  

Outline  

Page 23: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  23   ©  ECMWF  

The  predic_ve  skill  limit:  defini_on  

The  predic>ve  skill  limit  is  the  >me  when  the  forecast  error  crosses  a  certain  threshold.    As  threshold,  we  have  used  m-­‐2σ,  where  m  is  the  average  climatological  error.  

m-­‐2σ  

Forecast  

Forecast  steps  (days)  

error  

CLI  reference  

F

Page 24: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  24   ©  ECMWF  

CLI  single  fcs  

ENS  single  fcs  (control)  

2w   17d  

<Z500>180km  over  NH:  local  instantaneous  skill  

Results  indicate  that  for  local,  instantaneous  single  fc  of  Z500  over  NH  is  beyond  2-­‐weeks.      FiSH  is  @    ̴22  days!  

Page 25: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  25   ©  ECMWF  

Let’s  think  ensemble  and  generalise  the  problem    

Ø  ENS  fcs:  bias-­‐corrected  forecasts  are  from  the  ECMWF  51-­‐member  ENS,  the  medium-­‐range/monthly  forecasts  (32km  up  do  d10,  64km  agerwards)    

Ø  Verifica_on:  ERA-­‐I  analyses  Ø  CLI  fcs:  100-­‐member  climatological  ensemble  defined  by  ERA-­‐I  32-­‐d  subsequent  

analyses  Ø  Accuracy  metric:  Con>nuous  Ranked  Probability  Score  (CRPS)  Ø  Skill:  CRPS(ENS)  vs  CRPS(CLI)  Ø  Cases:  141  (2  per  week,  for  16m  from  2/7/12  to  4/11/13)  

ENS  +5d  

CLI   CLI   CLI  

ENS  +10d  ENS  +  …  d?  

obs   obs   obs  

Page 26: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  26   ©  ECMWF  

<Z500>180km  over  NH:  local  instantaneous  skill  

ENS  probabilis_c  fcs  

2w   17d  

The  same  conclusion  can  be  reached  if  we  think  in  probabilis>c  terms.      FiSH  is  @    ̴22  days    

CLI  ensemble  

Page 27: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  27   ©  ECMWF  

Forecast  skill  depend  on  the  spa_al-­‐temporal  scale  

Large-­‐scale,  >me-­‐average  features  can  be  predicted  longer  ahead  than  instantaneous,  grid-­‐point  values.  Certain  (large-­‐scale,  low-­‐frequency)  phenomena  can  be  predicted  weeks  and  months  ahead.    

0.30.4 0.4

0.4

Local,    instantaneous    wind-­‐speed  

Weekly-­‐mean,  regional    

temperature  anomaly  

Monthly-­‐mean,    con_nental-­‐scale  rain  anomaly  

                 10                                                        100                                                          1000                                                          10000                                  km    0.1                                                                                  1                                                                                                  10                                                                    100      days  

Page 28: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  28   ©  ECMWF  

MJO  and  NAO  

•  Few  days:  the  >me  limit  up  to  which  local,  instantaneous  variables  can  be  predicted    

•  Few  weeks:  the  >me  limit  up  to  which  large-­‐scales  (NAO,  MJO,  ..)  can  be  predicted  

•  Few  months:  the  >me  limit  up  to  which  coupled,  very  large-­‐scales  (Nino)  can  be  predicted  

MJO  over  tropics  

2  weeks  

3-­‐4  weeks  

6  months  

Page 29: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  29   ©  ECMWF  

Forecast  skill  depend  on  the  spa_al-­‐temporal  scale  

All  forecasts  represent  average  values  over  a  space-­‐>me  volume:  even  a  instantaneous,  local  values  represents  an  implicit  average.    Large-­‐scale,  t-­‐average  features  are  more  predictable  than  instantaneous,  local  values.  Unpredictable  “noise”  can  be  removed  by  averaging  to  isolate  the  predictable  signal.    We  have  applied  the  same  metric  to  differently  averaged  (in  4D)  forecasts  and  asked:  a)  Does  FiSH  depend  on  the  spa:al-­‐temporal  average  (and  on  the  variable)?  b)  Does  it  make  sense  to  talk  very  generally  about  a  forecast  skill  limit?  

 

 

Page 30: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  30   ©  ECMWF  

Forecast  skill  depend  on  the  spa_al-­‐temporal  scale  

Consider    increasingly  coarser  fields,  defined  by  temporally  averaged  and  spectrally  truncated  fields:  •  Spa>ally:  spectrally  

truncated  from  T120  (180km)  to  T60  (360km),  T15,  T7,  T3  

•  Temporally:  from  instantaneous  (H0)  to  1,  2,  4  and  8  day  averages  (H24-­‐H192)  

H0  -­‐  T120  (180km)  

H0  -­‐  T30  (720km)  

H0  -­‐  T15  (1500km)  

H0  -­‐  T7  (3000km)  

Page 31: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  31   ©  ECMWF  

Forecast  skill  depend  on  the  spa_al-­‐temporal  scale  

Consider    increasingly  coarser  fields,  defined  by  temporally  averaged  and  spectrally  truncated  fields:  •  Spa>ally:  spectrally  

truncated  from  T120  (180km)  to  T60  (360km),  T15,  T7,  T3  

•  Temporally:  from  instantaneous  (H0)  to  1,  2,  4  and  8  day  averages  (H24-­‐H192)  

H0  –  T120  (180km)  

2d  –  T120  (180km)  

4d  –  T120  (180km)  

8d  –  T120  (180km)  

Page 32: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  32   ©  ECMWF  

<Z500>180km  over  NH:  instantaneous,  <..>48h  and  <..>96h  

CLI  ENS  

ENS  fc  

Instantaneous  

4-­‐day  average  

8-­‐day  average  

Page 33: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  33   ©  ECMWF  

<Z500>180km  over  NH:  instantaneous,  <..>48h  and  <..>96h  

CLI  ENS  

ENS  fc  

Instantaneous  1-­‐day  average  2-­‐day  …  4-­‐day  …    8-­‐day  …  16-­‐day  …  

Page 34: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  34   ©  ECMWF  

<Z500>180km  over  SH:  instantaneous,  <..>48h  and  <..>96h  

CLI  ENS  

ENS  fc  

Instantaneous  

4-­‐day  average  

8-­‐day  average  

Page 35: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  35   ©  ECMWF  

<T850>180km  NH,  SH  &  TR:  instantaneous,  <..>48h  and  <..>96h  

FiSH  depends  on  the  variable,  the  4D-­‐scale  (i.e.  4D  volume  where  average  is  taken)  and  the  area  where  accuracy  is  computed.    

Page 36: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  36   ©  ECMWF  

The  forecast  skill  horizon:  results  based  on  ECMWF  ENS  

30    

25    

20    

15    

5    

0  

F  (T850T120,H0)  

F(T850T120,H24)  

F(T850T120,H96)  

FiSH  depends  on  the  variable,  the  4D-­‐scale  and  the  area  

Fc day

FiSH

Page 37: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  37   ©  ECMWF  

The  forecast  skill  horizon:  results  based  on  ECMWF  ENS  

30    

25    

20    

15    

5    

0  

FiSH

Fc day

FiSH  is  shown  here  for:  §  Variables:  Z500,  T850  and  T200  §  Time-­‐averages:  0,  2-­‐days  and  8  

days  §  Trunca>on:  T120    §  Areas:  NH,  SH  and  TR  

Values  are  well  beyond  2  weeks  even  for  instantaneous,  local  forecasts.  

 

8d  (H48)  2d  (H24)  

Instantaneous  (H0)  

FiSH  depends  on  the  variable,  the  4D-­‐scale  and  the  area  

Page 38: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  38   ©  ECMWF  

Suppose  that  we  have  a  good  system  that  can  simulate  all  scales  relevant  to  predict  phenomena  with  a  scale  (X,T),  and  ini>alise  them  properly.  The  skill  of  the  phenomena  depends  on  the  compe>>on  between:  •  Errors  propaga>ng  from  the  smaller  scales,  i.e.  noise  destroying  the  signal,  and  •  Predic>ve  signal  propaga>ng  from  the  wider,  longer-­‐range  scales  

Phenomena  slave  

External  forcing  

free  

wider  longer-­‐_me  

(XS,TS) (X,T) (XL,TL)

(from Hoskins 2012, QJRMS)

Why  is  FiSH  so  long?  How  can  we  interpret  these  results?  

Page 39: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  39   ©  ECMWF  

How  can  we  interpret  these  results?  

Errors  propagate  from  the  small  to  the  large  scales  thus  reducing  the  predic_ve  skill  

Predictable  signals  propagate  from  the  large  scales  to  the  smallest  scales    

For  example,  looking  at  the  atmosphere  only:  

Page 40: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  40   ©  ECMWF  

-­‐  The  MJO  can  affect  extra-­‐tropical,  low-­‐frequency  phenomena  such  as  blocking  -­‐  Diurnal  tropical  convec>on  influences  organized  convec>on  and  the  MJO  -­‐  The  MJO  propagates  interac>ng  with  El  Nino  -­‐  El  Nino  and  the  MJO  are  affected  by  varia>ons  in  solar  radia>on  and  greenhouse  gases  -­‐  Blocking  influences  and  is  influenced  by  synop>c  scales,  fronts  -­‐  …..    

Blocking  

fronts  

Solar  radia_on  Greenhouse  gases  

organiz  convec  

MJO,  El  Nino  

convec  

(XS,TS) (X,T) (XL,TL)

Free  smaller  scales  

An  example:  blocking  over  the  Euro-­‐Atlan_c  sector  

Page 41: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  41   ©  ECMWF  

CY31R1  (system-­‐3)  CY36R1    with  system-­‐3  convec_on  CY36R1  (close  to  System-­‐4)  CY36R1  but  slightly  modified  entrainment  CY36R1  but  slightly  modified  CAPE  adjustment  _me  scale    TRMM  observa_ons  

PDF  of  daily  (24-­‐hour  accumulated)  precipita_on    

Progression  in  tropical  precipita>on  modelling  as  a  result  of  convec>on  improvements  (entrainment  /  detrainment  and  closure  formula>ons)  

Changes  in  convec_on  improves  tropical  precipita_on  

obs

(From  Peter  Bechtold)  

Page 42: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  42   ©  ECMWF  

Progression  in  MJO  modelling  as  a  result  of  convec>on  improvements  (entrainment  /  detrainment  and  closure  formula>ons).  

Cy  31r1  (as  in  system-­‐3)   CY36R1  (close  to  system-­‐4)  

Beser  physics  >  more  realis_c  MJO  propaga_on  

(From  Frederic  Vitart)  

Page 43: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  43   ©  ECMWF  

(From  B.  Wang  and  J.-­‐Y.  Lee)  

ECMWF   ECMWF  

We  have  seen  that  the  ECMWF  system  can  predict  ENSO  SST  up  to  1  year  ahead.  Considering  the  MJO,  the  ECMWF  system  is  capable  to  predict  it  up  to  about  25  days.  

More  realis_c  MJO  >  skilful  MJO  fcs  up  to  3  weeks  

Page 44: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  44   ©  ECMWF  

The  skill  of  d19-­‐25  PR(2mT>Upp3)  forecasts  is  higher  if  there  is  an  ac>ve  MJO  in  the  Ics.  (results  based  on  45  cases,  1989-­‐2008).    

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1forecast probability

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

obs f

requ

ency

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1forecast probability

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

obs f

requ

ency

MJO in ICs BSS(EU)=0.03 NO MJO in ICs BSS(EU)=-0.09

MJO in ICs BSS(NH)=0.04 NO MJO in ICs BSS(NH)=-0.06

Beser  MJO  predic_on  >  higher  skill  over  Europe  

(From  Frederic  Vitart)  

Page 45: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  45   ©  ECMWF  

1)  Context  2)  Ensembles:  why?  3)  Where  is  the  forecast  skill  horizon?  Why  is  it  there?  4)  Conclusions  

Outline  

Page 46: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  46   ©  ECMWF  

Where  is  the  forecast  skill  horizon?    

Lorenz  (1969):  ‘…  one  flap  of  a  sea  gull’s  wing  would  forever  change  the  future  course  of  the  weather  ..  Such  a  change  would  be  realized  within  about  17  days  ..’    

We  showed  that  there  is  not  a  unique  defini>on  of  forecast  skill  limit,  and  that  the  Forecast  Skill  Horizon,  say  the  FiSH  length,  depends  on  the  field  (scale,  variable,  region).  The  forecast  skill  horizon  is  well  beyond  2  weeks  even  for  local,  instantaneous  fields,  thus  confirming  results  published  in  literature  that  certain  phenomena  (MJO,  NAO,  blocking,  ..)  can  be  predicted  beyond  2  weeks  using  a  unifying,  coherent  framework.    

Page 47: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  47   ©  ECMWF  

•  Reduced  ini>al  errors  •  More  complete  models  (coupling  to  land  and  ocean)  •  BeEer  models  (improved  moist  processes,  ..)  •  New  methods  (ensembles,  ..)  •  Understanding  of  sources  of  predictability  •  Scale  analysis  

2  weeks   3  weeks   4  weeks   5  weeks  

1970s <(t)>180km  

<.;.>180km,48h  

<.;.>180km,96h  

<.;.>180km,192h  

Z500 over NH

FiSH  length  

Where  is  the  forecast  skill  horizon?    

Page 48: Roberto Buizza and Martin Leutbecher European Centre for … · 2015. 3. 11. · Pr&In&(ARPA&Bologna,&Feb&2015)!"!!Roberto!Buizza:!The!forecastskill!horizon!!!!!1 Roberto Buizza and

Pr&In  (ARPA  Bologna,  Feb  2015)  -­‐    Roberto  Buizza:  The  forecast  skill  horizon                                                                                                                                                                                  48   ©  ECMWF  

In  other  words  ..    1970s:  results  based  on  atmosphere-­‐only  models  suggested  that  a  sea-­‐gull  wing  could  affect  the  weather  anywhere  ager  ~  2  weeks  2010s:  results  based  on  more  accurate,  higher  resolu>on  coupled  ocean-­‐atmosphere  models  indicate  that  the  limit  is  well  beyond  2  weeks  and  that  the  forecast  skill  limit  has  not  yet  been  reached  

                                                             forget  the  sea-­‐gulls  ..  think  FiSH!!