A Bayesian Kalman Filter approach in correcting near surface temperature forecasts

Abstract

In Meteorology, Numerical Weather Prediction (NWP) models are used to provide forecasts for various weather related parameters. One such parameter, with high interest to the general public, is the near surface (2m) temperature. It is well known that the NWP based forecasts are inaccurate and various post processing methods exist, for improving the predictions. In this thesis a new method is proposed for the correction of near surface (2m) temperature forecasts provided by a NWP model. This procedure constitutes a Bayesian approach, based on a Kalman filter model. We provide an algorithm that results improved temperature predictions for future time-steps, by combining past observations and their corresponding NWP forecasts. The developed methodology is illustrated through the application of the proposed algorithm to a real data set, consisting of the observed and the forecasted temperatures of 700 days at a particular meteorological station (Thessaloniki).

Στην μετεωρολογία, τα αριθμητικά μοντέλα πρόγνωσης καιρού χρησιμοποιούνται για προβλέψεις σε ποικίλες καιρικές παραμέτρους. Μία τέτοια παράμετρος, με υψηλό ενδιαφέρον για το κοινό, είναι η θερμοκρασία κοντά στην επιφάνεια. Είναι γνωστό ότι οι προγνώσεις αυτές είναι ανακριβείς και διάφορες μέθοδοι αναπτύσσονται με σκοπό τη βελτίωσή τους. Σε αυτή τη διατριβή προτείνεται μία καινούργια μεθοδολογία βελτίωσης των προβλέψεων της θερμοκρασίας (κοντά στην επιφάνεια) που προέρχονται από ένα αριθμητικό μοντέλο πρόγνωσης καιρού. Η μέθοδος αυτή αποτελεί μία Μπεϋζιανή προσέγγιση και βασίζεται σε ένα Kalman Filter μοντέλο. Συνδυάζοντας τις προηγούμενες παρατηρήσεις και τις αντίστοιχες προβλέψεις, δημιουργούμε έναν αλγόριθμο ο οποίος μας δίνει βελτιωμένες προγνώσεις της θερμοκρασίας για μελλοντικές χρονικές στιγμές. Η μεθοδολογία που αναπτύσσεται απεικονίζεται μέσω της εφαρμογής του προτεινόμενου αλγορίθμου σε ένα πραγματικό σύνολο δεδομένων, το οποίο αποτελείται από τις πραγματικές καθώς και τις αντίστοιχες προβλεπόμενες τιμές της θερμοκρασίας 700 ημερών σε ένα συγκεκριμένο μετεωρολογικό σταθμό (Θεσσαλονίκη).