A Bridge between Short-Range and Seasonal Forecasts: Data-Based First Passage Time Prediction in Temperatures

• Main Author: Wulffen, Anja von
• Other Authors: Kantz, Holger, Kurths, Jürgen, Technische Universität Dresden
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2013
• Subjects: info:eu-repo/classification/ddc/530; ddc:530; Datenanalyse; Lufttemperatur; Wettervorhersage; Kurzfristige Prognose; Langfristige Prognose; Prognoseverfahren; Nordatlantik-Oszillation; Temperatur; Vorhersage; Wiederkehrzeit; Nordatlantische Oszillation; statistische Datenanalyse; Zeitreihenanalyse; temperature; forecasting; first passage time; North Atlantic Oscillation; Statistical data analysis; time series analysis; North Atlantic; North Atlantic oscillation
• Online Access: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-104493; https://tud.qucosa.de/id/qucosa%3A26523; https://tud.qucosa.de/api/qucosa%3A26523/attachment/ATT-0/

Current conventional weather forecasts are based on high-dimensional numerical models. They are usually only skillful up to a maximum lead time of around 7 days due to the chaotic nature of the climate dynamics and the related exponential growth of model and data initialisation errors. Even the fully detailed medium-range predictions made for instance at the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts do not exceed lead times of 14 days, while even longer-range predictions are limited to time-averaged forecast outputs only. Many sectors would profit significantly from accurate forecasts on seasonal time scales without needing the wealth of details a full dynamical model can deliver. In this thesis, we aim to study the potential of a much cheaper data-based statistical approach to provide predictions of comparable or even better skill up to seasonal lead times, using as an examplary forecast target the time until the next occurrence of frost. To this end, we first analyse the properties of the temperature anomaly time series obtained from measured data by subtracting a sinusoidal seasonal cycle, as well as the distribution properties of the first passage times to frost. The possibility of generating additional temperature anomaly data with the same properties by using very simple autoregressive model processes to potentially reduce the statistical fluctuations in our analysis is investigated and ultimately rejected. In a next step, we study the potential for predictability using only conditional first passage time distributions derived from the temperature anomaly time series and confirm a significant dependence of the distributions on the initial conditions. After this preliminary analysis, we issue data-based out-of-sample forecasts for three different prediction targets: The specific date of first frost, the probability of observing frost before summer for forecasts issued in spring, and the full probability distribution of the first passage times to frost. We then study the possibility of improving the forecast quality first by enhancing the stationarity of the temperature anomaly time series and then by adding as an additional input variable the state of the North Atlantic Oscillation on the date the predictions are issued. We are able to obtain significant forecast skill up to seasonal lead times when comparing our results to an unskilled reference forecast. A first comparison between the data-based forecasts and corresponding predictions gathered from a dynamical weather model, necessarily using a lead time of only up to 15 days, shows that our simple statistical schemes are only outperformed (and then only slightly) if further statistical post-processing is applied to the model output. Aktuelle Wetterprognosen werden mit Hilfe von hochdimensionalen, numerischen Modellen generiert. Durch die dem Klima zugrunde liegende chaotische Dynamik wachsen Modellfehler und Ungenauigkeiten in der Modellinitialisierung exponentiell an, sodass Vorhersagen mit signifikanter Güte üblicherweise nur für eine Vorlaufzeit von maximal sieben Tagen möglich sind. Selbst die detaillierten Prognosen des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersagen gehen nicht über eine Vorlaufzeit von 14 Tagen hinaus, während noch längerfristigere Vorhersagen auf zeitgemittelte Größen beschränkt sind. Viele Branchen würden signifikant von akkuraten Vorhersagen auf saisonalen Zeitskalen pro-fitieren, ohne das ganze Ausmaß an Details zu benötigen, das von einem vollständigen dynamischen Modell geliefert werden kann. In dieser Dissertation beabsichtigen wir, am Beispiel einer Vorhersage der Zeitdauer bis zum nächsten Eintreten von Frost zu untersuchen, inwieweit deutlich kostengünstigere, datenbasierte statistische Verfahren Prognosen von gleicher oder sogar besserer Güte auf bis zu saisonalen Zeitskalen liefern können. Dazu analysieren wir zunächst die Eigenschaften der Zeitreihe der Temperaturanomalien, die aus den Messdaten durch das Subtrahieren eines sinusförmigen Jahresganges erhalten werden, sowie die Charakteristiken der Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Zeitdauer bis zum nächsten Eintreten von Frost. Die Möglichkeit, durch einen einfachen autoregressiven Modellprozess zusätzliche Datenpunkte gleicher statistischer Eigenschaften wie der Temperaturanomalien zu generieren, um die statistischen Fluktuationen in der Analyse zu reduzieren, wird untersucht und letztendlich verworfen. Im nächsten Schritt analysieren wir das Vorhersagepotential, wenn ausschließlich aus den Temperaturanomalien gewonnene bedingte Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Wartezeit bis zum nächsten Frost verwendet werden, und können eine signifikante Abhängigkeit der Verteilungen von den Anfangsbedingungen nachweisen. Nach dieser einleitenden Untersuchung erstellen wir datenbasierte Prognosen für drei verschiedene Vorhersagegrößen: Das konkrete Datum, an dem es das nächste Mal Frost geben wird; die Wahrscheinlichkeit, noch vor dem Sommer Frost zu beobachten, wenn die Vorhersagen im Frühjahr ausgegeben werden; und die volle Wahrscheinlichkeitsverteilung der Zeitdauer bis zum nächsten Eintreten von Frost. Anschließend untersuchen wir die Möglichkeit, die Vorhersagegüte weiter zu erhöhen - zunächst durch eine Verbesserung der Stationarität der Temperaturanomalien und dann durch die zusätzliche Berücksichtigung der Nordatlantischen Oszillation als einer zweiten, den Anfangszustand charakterisierenden Variablen im Vorhersageschema. Wir sind in der Lage, im Vergleich mit einem naiven Referenzvorhersageschema eine signifikante Verbesserung der Vorhersagegüte auch auf saisonalen Zeitskalen zu erreichen. Ein erster Vergleich zwischen den datenbasierten Vorhersagen und entsprechenden, aus den dynamischen Wettermodellen gewonnenen Prognosen, der sich notwendigerweise auf eine Vorlaufzeit der Vorhersagen von lediglich 15 Tagen beschränkt, zeigt, dass letztere unsere simplen statistischen Vorhersageschemata nur schlagen (und zwar knapp), wenn der Modelloutput noch einer statistischen Nachbearbeitung unterzogen wird.