KonWet Bericht zur Untersuchung konvektiver Wetterlagen in

Transcription

KonWet
Bericht zur Untersuchung
konvektiver Wetterlagen in
Nordrhein-Westfalen
Version 1.0
September 2010
Das Projekt ist Teil der Anpassungspolitik des Landes Nordrhein-Westfalen und wurde mit
Mitteln des Ministeriums für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen finanziert. Weitere Informationen zum Thema Anpassung an
den Klimawandel sowie die Anpassungsstrategie des Landes Nordrhein-Westfalen finden
Sie im Internet unter: www.klimawandel.nrw.de
KonWet
Bericht zur Untersuchung
konvektiver Wetterlagen in
Nordrhein-Westfalen
Version 1.0
erstellt im Auftrag des
Landesamtes für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen
Projektleiter :
Jürgen Lang
MeteoSolutions GmbH
Sturzstraße 45
64285 Darmstadt
Tel.: 0 61 51 / 59 90 340
Fax.: 0 61 51 / 59 90 339
E-Mail: [email protected]
Internet: www.meteosolutions.de
KonWet
Impressum
Zweck des Dokuments:
Dokumentation des Projektes „konvektive Wetterlagen (KonWet)“
Impressum
Datei:
P:\KonWet-10006\doc\KonWet.1.0.doc
letzter Stand:
22.10.2010 15:17 von juergen
Änderungsverfolgung:
Version Datum
Bearbeiter
Änderung in Kapitel, auf Anlass
Seite
0.1
24.09.2010 Herr Lang
0.2
Redaktionelle Anpassun- Durchsicht der Version 0.1
gen und Ergänzung Kapi- durch Frau Dr. Gelhardt
tel „Zusammenfassung“
1.0
Redaktionelle Anpassun- Review der Version 0.2 durch
gen und Ergänzung der Herrn Straub
Karte mit den Niederschlagsstationen
KonWet 1.0
Erstellung
 MeteoSolutions GmbH, 2010
KonWet
Danksagung
Danksagung
Ein besonderer Dank gilt dem Deutschen Wetterdienst für die Bereitstellung der objektiven Wetterlagenklassen (oWLK) aus der Routine des Deutschen Wetterdienstes und der Bundesanstalt
für Gewässerkunde für die Bereitstellung der oWLK auf Basis der ERA40-Daten und auf Basis
von Szenarienläufen mit dem globalen Klimamodell ECHAM5/MPI-OM.
KonWet 1.0
KonWet
Inhaltverzeichnis
Inhaltverzeichnis
1 Einleitung.......................................................................................................................1
2 Datenbasis und Auswertezeitraum ................................................................................2
2.1 Datenbasis zur Auswahl konvektiver Ereignisse ....................................................2
2.2 Datenbasis der objektiven Wetterlagenklassen......................................................4
2.3 Auswertezeitraum ..................................................................................................6
3 Methode ........................................................................................................................6
3.1 Definition konvektiver Tage ....................................................................................6
3.1.1 Konvektive Tage aus der URBAS-Datenbank................................................6
3.1.2 Konvektive Tage aus SYNOP- und Niederschlagsdaten................................6
3.1.2.1 Gewitter aus SYNOP-Daten ..............................................................................6
3.1.2.2 Starkregenereignisse aus Niederschlagsdaten .................................................8
3.1.2.3 Konvektive Tage auf Grund der SYNOP- und Niederschlagsdaten ..................8
3.2 Definition konvektiver Wetterlagen .........................................................................8
4 Ergebnisse ....................................................................................................................9
4.1 Konvektive Wetterlagen .........................................................................................9
4.2 Entwicklung konvektiver Wetterlagen in der Vergangenheit.................................12
4.3 Entwicklung konvektiven Wetterlagen in der Zukunft ...........................................14
5 Zusammenfassung ......................................................................................................17
6 Literaturverzeichnis .....................................................................................................18
KonWet 1.0
KonWet
Abbildungen
Abbildungen
Abbildung 1: Niederschlagsstationen in NRW (schwarz) und zur Auswertung verwendete
Stationen (rot) mit kontinuierlichen Niederschlagszeitreihen bei einem maximalen
Lückenanteil von 10% im Auswertezeitraum. ........................................................ 3
Abbildung 2: Relative Häufigkeit der 40 oWLK im Zeitraum 1980-2008, Sommermonate (MaiSeptember) im Vergleich zur relativen Häufigkeit der 40 oWLK bei vier
verschiedenen
Kriterien
zur Definition konvektiver
Tage.
Achtung:
Grundgesamtheit für Berechnung der relativen Häufigkeiten ist unterschiedlich
(siehe Text). ........................................................................................................... 9
Abbildung 3: Relative Häufigkeit der acht Wettertypen „Zyklonalität und Feuchte“ im Zeitraum
1980-2008, Sommermonate (Mai-September) im Vergleich zur relativen
Häufigkeit der selben acht Wettertypen bei vier verschiedenen Kriterien
konvektiver Tage.................................................................................................. 10
Abbildung 4: Relative Häufigkeit der 40 WLK im Zeitraum 1980-2008, Sommermonate (MaiSeptember) und bei Verwendung von Kriterium 1 für konvektive Tage (hier
bezogen auf die Gesamtzahl der Sommertage im Auswertezeitraum); Balken
auffälliger WLK (s. Text) sind hervorgehoben...................................................... 11
Abbildung 5a-d: Zeitreihen der jährlichen (Sommermonate Mai-September) Häufigkeiten der vier
konvektiven Wetterlagen für den Zeitraum 1961-2008 ........................................ 14
Abbildung 6a+b: Zeitreihen der jährlichen (Sommermonate Mai-September) Häufigkeiten der
vier konvektiven Wetterlagen für den Zeitraum 2001-2100 auf Grund von
Klimaszenarienläufen unter Nutzung eines 11-jährigen (a) bzw. 31-jährigen (b)
gleitenden Mittels ................................................................................................. 15
KonWet 1.0
KonWet
Tabellen
Tabellen
Tabelle 1: Übersicht der SYNOP-Stationen .................................................................................. 2
Tabelle 2: Übersicht der 40 objektiven Wetterlagenklassen ......................................................... 5
Tabelle 3: Bedeutung der hier genutzten FM 12 Wetterschlüssel für ww ..................................... 7
KonWet 1.0
KonWet
Einleitung
1
1 Einleitung
Im Rahmen des Innovationsfonds-Projektes zur Simulation lokaler konvektiver Niederschläge
und deren Variabilität soll eine formale meteorologische Analyse konvektiver Wetterlagen in
Nordrhein-Westfalen durchgeführt werden.
Um die für Konvektion typischen Wetterlagen zu identifizieren, sollten die aus Beobachtungen
(Auswertung von Datenbanken, SYNOP-Daten und Starkniederschlagsauswertungen) gewonnenen Erkenntnisse über konvektive Situationen mit den vom Deutschen Wetterdienst angewandten objektiven Wetterlagenklassen (oWLK) verglichen werden. Dabei sollte angestrebt
werden, diejenigen Wetterlagenklassen zu identifizieren, die für das Auftreten von Konvektion
eine herausragende Rolle spielen. Im Falle einer erfolgreichen Zuordnung von individuellen
Wetterlagenklassen zu starker Konvektion sollte dann die Veränderung der Häufigkeiten dieser
Wetterlagenklassen über die vergangenen Jahrzehnte ausgewertet und damit eine Information
über tendenzielle, längerfristige Änderungen im Auftreten starker Konvektion abgeleitet werden.
Durch Anwendung der objektiven Wetterlagenklassifikation (oWLK) auf Klimaprojektionsdaten
sollten schließlich Aussagen über mögliche Änderungen im Auftreten konvektiver Wetterlagen
entsprechend verschiedener Klimaszenarien getroffen werden.
Die hier vorliegende Dokumentation beinhaltet eine detaillierte Beschreibung der für diese Untersuchung genutzten Datenbasis sowie der angewendeten Methoden und stellt die Ergebnisse
der Untersuchung vor.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Untersuchungen im Auftrag des Landesamtes für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen (LANUV NRW), Essen von der MeteoSolutions GmbH, Darmstadt durchgeführt wurden. Der Umfang der Untersuchungen war daher begrenzt durch das hierfür zur Verfügung stehende Budget.
KonWet 1.0
KonWet
Datenbasis und Auswertezeitraum
2
2 Datenbasis und Auswertezeitraum
2.1 Datenbasis zur Auswahl konvektiver Ereignisse
Als Datenbasis standen drei Datenquellen zur Verfügung:
1. URBAS-Datenbank des Projektes „Urbane Sturzfluten (URBAS)“ unter
http://www.urbanesturzfluten.de/ereignisdb (URBAS-Daten)
2. SYNOP-Meldungen von 25 SYNOP-Stationen des Deutschen Wetterdienstes
(DWD) in Nordrhein-Westfalen (SYNOP-Daten)
3. Auswertung von Starkniederschlagsereignissen von 107 Niederschlagsstationen
in Nordrhein-Westfalen (NRW) (RR-Daten)
Die Tabelle 1 gibt eine Übersicht der 25 SYNOP-Stationen des DWD in Nordrhein-Westfalen
unter Angabe der Stationsnummer, des Stationsnamens, des Zeitraums, für den SYNOP-Daten
vorliegen und die Summe der einzelnen SYNOP-Meldungen pro Station. Letztere gibt einen
Eindruck davon, wie umfangreich die Meldungen der einzelnen Stationen sind.
Tabelle 1: Übersicht der SYNOP-Stationen
Stationsnummer
Stationsname
Zeitraum
von
Zeitraum
bis
Summe der
Meldungen
10306
RHEINE-BENTLAGE (BW)
1980
2008
138614
10313
MUENSTER
1980
1989
68867
10314
HOPSTEN (BW)
1980
2005
118536
10315
GREVEN (FLUGWEWA)
1989
2008
164602
10320
GUETERSLOH (RAF)
1980
2008
201984
10325
SALZUFLEN,BAD (AWST)
1980
2008
204815
10400
DUESSELDORF (FLUGWEWA)
1980
2008
244094
10401
BRUEGGEN (RAF)
1980
2001
114663
10404
KALKAR (BW)
1985
2008
131138
10405
LAARBRUCH (RAF)
1980
2001
89808
10406
BOCHOLT-LIEDERN (AWST)
1980
2006
177162
10410
ESSEN-BREDENEY (AWST)
1980
2008
247805
10424
WERL (AWST)
1980
2008
81494
10427
KAHLER ASTEN (WEWA)
1980
2008
249785
10430
LIPPSPRINGE,BAD (WEWA)
1980
2008
213231
10431
EGGEGEBIRGE (TEMES)
1991
2001
139
10432
KOETERBERG (AWST)
1980
2000
168986
10435
WARBURG (AWST)
1980
2008
239759
10500
GEILENKIRCHEN (USAF)
1985
2008
117331
KonWet 1.0
KonWet
Stationsnummer
Stationsname
3
Zeitraum
von
Zeitraum
bis
Summe der
Meldungen
10501
AACHEN (WEWA)
1980
2008
239498
10502
NOERVENICH (BW)
1980
2008
153371
10504
EIFEL (TEMES)
1991
2002
145
10513
KOELN-WAHN (FLUGWEWA)
1980
2008
244035
10518
BONN-HARDTHOEHE (BW)
1980
2003
9180
10521
ROTHAARGEBIRGE (TEMES)
1991
1998
151
Die zur Auswertung der Starkniederschlagsereignisse betrachteten 107 Niederschlagsstationen
sind in Abbildung 1 in rot hervorgehoben. Dies sind alle am LANUV verfügbaren Stationen mit
kontinuierlichen Niederschlagsreihen bei einem maximalen Lückenanteil von 10% im Auswertezeitraum (vgl. Kapitel 2.3). Die Auswertung erfolgte mit der am LANUV betriebenen Software
AquaZIS. Eine ausführliche Darstellung der Datenbasis sowie der Auswertesoftware erfolgt im
Bericht zum Projekt ExUS (ExUS, 2010).
Abbildung 1: Niederschlagsstationen in NRW (schwarz) und zur Auswertung verwendete Stationen (rot) mit kontinuierlichen Niederschlagszeitreihen bei einem maximalen Lückenanteil von 10%
im Auswertezeitraum.
KonWet 1.0
KonWet
4
2.2 Datenbasis der objektiven Wetterlagenklassen
Als Wetterlagenklassifikation wurde die objektive Wetterlagenklassifikation (oWLK) des Deutschen Wetterdienstes (DWD) verwendet (Dittman et.al., 1995; Bissolli und Dittmann, 2001). In
dieser sind insgesamt 40 Wetterlagenklassen (WLK) definiert (vgl. Tabelle 2).
Für die Zuordnung der oWLK zu den konvektiven Ereignissen (vgl. Kapitel 3.2) wurden die
oWLK aus der Routine des DWD benutzt. Dort wird täglich für den Analysetermin um 12 UTC
eines operationellen numerischen Wettervorhersagemodells (zuletzt GME40) die oWLK bestimmt. Die täglichen oWLK vom 01.07.1979 bis 14.07.2010 wurden vom DWD zur Verfügung
gestellt.
Des Weiteren wurden die oWLK basierend auf den ERA40-Daten der Reanalysen des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) in Reading (ERA40, Toussaint,
2003) für den Zeitraum 1961-2000 sowie von drei Szenarienläufen A1B des Klimamodells
ECHAM5/MPI-OM (im Folgenden kurz „ECHAM5“ genannt) des Max-Plank-Instituts für Meteorologie in Hamburg (Röckner et al., 2006a und b) für den Zeitraum 2001 bis 2100 genutzt. Diese
oWLK-Daten wurden von der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) in Koblenz bereitgestellt
(Krahe et. al., 2011).
KonWet 1.0
KonWet
5
Tabelle 2: Übersicht der 40 objektiven Wetterlagenklassen
Nr.
Klassen
Kennung
Anströmrichtung
Bedeutung
Zyklonalität
Zyklonalität
in 950 hPa
in 500 hPa
Feuchte
1
2
3
4
5
XXAAT
NOAAT
SOAAT
SWAAT
NWAAT
nicht definiert
Nordost
Südost
Südwest
Nordwest
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
trocken
trocken
trocken
trocken
trocken
6
7
8
9
10
XXAAF
NOAAF
SOAAF
SWAAF
NWAAF
nicht definiert
Nordost
Südost
Südwest
Nordwest
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
feucht
feucht
feucht
feucht
feucht
11
12
13
14
15
XXAZT
NOAZT
SOAZT
SWAZT
NWAZT
nicht definiert
Nordost
Südost
Südwest
Nordwest
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
trocken
trocken
trocken
trocken
trocken
16
17
18
19
20
XXAZF
NOAZF
SOAZF
SWAZF
NWAZF
nicht definiert
Nordost
Südost
Südwest
Nordwest
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
feucht
feucht
feucht
feucht
feucht
21
22
23
24
25
XXZAT
NOZAT
SOZAT
SWZAT
NWZAT
nicht definiert
Nordost
Südost
Südwest
Nordwest
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
trocken
trocken
trocken
trocken
trocken
26
27
28
29
30
XXZAF
NOZAF
SOZAF
SWZAF
NWZAF
nicht definiert
Nordost
Südost
Südwest
Nordwest
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
antizyklonal
feucht
feucht
feucht
feucht
feucht
31
32
33
34
35
XXZZT
NOZZT
SOZZT
SWZZT
NWZZT
nicht definiert
Nordost
Südost
Südwest
Nordwest
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
trocken
trocken
trocken
trocken
trocken
36
37
38
39
40
XXZZF
NOZZF
SOZZF
SWZZF
NWZZF
nicht definiert
Nordost
Südost
Südwest
Nordwest
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
zyklonal
feucht
feucht
feucht
feucht
feucht
KonWet 1.0
KonWet
Methode
6
2.3 Auswertezeitraum
Auf Grund der zur Verfügung stehenden Daten wurden konvektive Ereignisse für die Zeiträume
1980-2008 auf Basis der SYNOP- und Niederschlagsdaten bzw. 1987-2009 basierend auf den
URBAS-Daten bestimmt. Die oWLK aus der Routine des DWD wurde für den Zeitraum 19802008 genutzt. Die oWLK aus den ERA40-Daten lagen für den Zeitraum 1961-2000 und aus
den ECHAM5-Szenarienläufen 1 bis 3 für den Zeitraum 2001-2100 vor.
Alle Auswertungen wurden auf die Sommermonate Mai-September beschränkt unter der Annahme, dass starke konvektive Ereignisse vor allem in diesen Monaten auftreten.
Bei der Auswahl der konvektiven Ereignisse fand eine Beschränkung auf die Tageszeit von
12 UTC bis 21 UTC unter der Annahme statt, dass starke konvektive Ereignisse vor allem zu
dieser Tageszeit auftreten. Bei der Zuordnung der oWLK ist zu beachten, dass jene aus der
Routine des DWD zum Termin 12 UTC und jene aus den ERA40- und den ECHAM5-Daten zum
Termin 00 UTC bestimmt sind.
3 Methode
Auf Grund der vorhandenen Datenbasis wurden zunächst Tage mit konvektiven Ereignissen
(konvektive Tage, s. Kapitel 3.1) definiert. Jedem dieser konvektiven Tage wurde die zugehörige oWLK aus der Routine des DWD zugeordnet mit dem Ziel, solche oWLK zu identifizieren,
die besonders häufig in Zusammenhang mit konvektiven Tagen auftreten (s. Kapitel 3.2). Nachdem diese oWLK (konvektive Wetterlagen) identifiziert wurden, konnte mit Hilfe der Zeitreihe
der oWLK basierend auf ERA40-Daten und kombiniert mit der Zeitreihe der oWLK aus der Routine des DWD eine mögliche Änderung der Häufigkeit des Auftretens der ermittelten konvektiven Wetterlagen zwischen 1961 und 2008 untersucht werden. Abschließend wurden die Zeitreihen der oWLK auf Grundlage von Daten dreier ECHAM5/MPI-OM-Klimaprojektionen des A1BSzenarios ebenfalls für die konvektiven Wetterlagen in Hinblick auf die Häufigkeit ihres Auftretens in der Zukunft analysiert.
3.1 Definition konvektiver Tage
Die Definition eines Tages mit konvektivem Ereignis (konvektiver Tag) erfolgte je nach Datengrundlage unterschiedlich.
3.1.1 Konvektive Tage aus der URBAS-Datenbank
Um die Tage mit konvektiven Ereignissen aus der URBAS-Datenbank zu extrahieren, wurden
alle dort registrierten Ereignisse ausgewählt, die im Zeitraum 1987 - 2009 in den Sommermonaten Mai bis September an mindestens einem Ort in NRW oder in der näheren Umgebung von
NRW aufgetreten sind. Die Auswahl erfolgte subjektiv an Hand der für jedes Ereignis verfügbaren Kartendarstellung mit den Eintragungen der betroffenen Orte. Daraus ergaben sich insgesamt 122 konvektive Tage. Hierin sind drei Ereignisse enthalten, die aus anderen Datenquellen
(Sander et. al. 2008 und Elmar Weigl, DWD, mündliche Mitteilung, 2010) stammen.
3.1.2 Konvektive Tage aus SYNOP- und Niederschlagsdaten
Die Festlegung konvektiver Tage aus SYNOP- und Niederschlagsdaten erfolgte aus der Kombination von Gewitterereignissen aus den SYNOP-Meldungen und Starkregenereignissen aus
den Niederschlagsdaten.
3.1.2.1 Gewitter aus SYNOP-Daten
Die SYNOP-Daten aus NRW dienten der Ermittlung von Gewitterereignissen.
KonWet 1.0
KonWet
Methode
7
Aus den einzelnen Datenverfügbarkeitszeiträumen der in Tabelle 1 gelisteten SYNOP-Stationen
des DWD in NRW ergibt sich ein gesamter Auswertezeitraum von 1980 – 2008. Aus den SYNOP-Daten dieses Zeitraumes sollten nur Gewitterereignisse extrahiert werden, die in den
Sommermonaten Mai bis September und in der Zeit zwischen 12 UTC und 21 UTC gemeldet
wurden. Dieser Tageszeitraum wurde aus zwei Gründen gewählt:
1. Konvektive Ereignisse treten im Sommer vorwiegend in den Nachmittags- und
Abendstunden auf.
2. Der Zeitraum, für den Gewitter ausgewählt wurden, sollte möglichst gut zum Zeitpunkt der Wetterlagenklassifikation in der Routine des DWD um 12 UTC passen.
Bei der Auswahl wurden die Informationen über Wettererscheinungen (FM12 Wetterschlüssel
ww) zum Zeitpunkt der Beobachtung und die Informationen über den Wetterverlauf (FM 12 Wetterschlüssel W1W2) genutzt. Für die Auswahl eines Meldungstermins mit Gewitter musste ww
einen Wert zwischen 91 und 99 (vgl. Tabelle 3) oder W1 oder W2 den Wert 9 aufweisen.
Tabelle 3: Bedeutung der hier genutzten FM 12 Wetterschlüssel für ww
Wert
Bedeutung
Gewitter in der letzten Stunde, zum Termin fällt
91
leichter Regen
92
mäßiger oder starker Regen
93
leichter Schnee oder Schneeregen bzw. Graupel oder Hagel
94
mäßiger oder starker Schneefall oder Schneeregen bzw.
Graupel oder Hagel
Gewitter zum Termin
95
leicht oder mäßig mit Regen bzw. Schnee
96
leicht oder mäßig mit Hagel oder Graupel
97
stark mit Regen bzw. Schnee
98
mit Staub- oder Sandsturm
99
Stark mit Hagel oder Graupel
Die Wetterschlüssel W1 und W2 bezieht sich dabei je nach Beobachtungstermin auf einen unterschiedlich langen Zeitraum:

Haupttermine (00, 06, 12, 18 UTC): letzte sechs Stunden

Zwischentermine (03, 09, 15, 21 UTC): letzte drei Stunden

Nebentermine (01, 02, 04, 05 UTC…): letzte Stunde
Auf Grund dieses Bezugs des Wetterverlaufs wurde bei der Betrachtung von W1 und W2 nur der
Zeitraum von 13 UTC bis 21 UTC genutzt.
KonWet 1.0
KonWet
Methode
8
Aus den damit bestimmten sommerlichen Gewitterereignissen je SYNOP-Station wurden
schließlich alle Tage ermittelt, an denen an mindestens zwei SYNOP-Stationen ein Gewitter
beobachtet wurde.
3.1.2.2 Starkregenereignisse aus Niederschlagsdaten
Auf Basis von Messungen an 107 Niederschlagsstationen sollten Starkregenereignisse ermittelt
werden. Dazu wurden die Zeitreihen von 1980-2008 hinsichtlich Starkniederschlagsereignissen
mit einer Dauerstufe von 60 Minuten und mit einer Jährlichkeit von mindestens einem Jahr oder
seltener analysiert. Es wurden schließlich alle Sommertage (Mai bis September) ermittelt, an
denen ein solches Ereignis an mindestens einer der Niederschlagsstationen bei einem Beginn
zwischen 12 UTC und 21 UTC aufgetreten ist.
3.1.2.3 Konvektive Tage auf Grund der SYNOP- und Niederschlagsdaten
Die Tage mit konvektiven Ereignissen (konvektive Tage) ergeben sich aus einer Kombination
der Tage mit Gewitter und der Tage mit Starkregenereignissen. Diese wurden auf drei verschiedene Arten kombiniert:
Kriterium 1.
Alle Tage an denen Gewitter oder an mindestens 2 Stationen ein
Starkregenereignis aufgetreten ist.
Damit ergeben sich 942 konvektive Tage.
Kriterium 2.
Alle Tage mit Gewitter und Starkregenereignis an mindestens 1 Station
oder Tage ohne Gewitter und Starkregenereignis an mindestens 2 Stationen.
Kriterium 3.
Alle Tage an denen an mindestens 10 Stationen Gewitter und an mindestens 10 Stationen ein Starkregenereignis aufgetreten ist.
In diese drei Kriterien ordnet sich das Ergebnis aus den URBAS-Daten auf Grund der Zahl von
122 konvektiven Tagen zwischen dem Kriterium 2 und dem Kriterium 3 ein. Damit erhält man
eine durchgängige Verschärfung von „tendenziell leichten und in NRW wenig verbreiteten“ konvektiven Ereignissen (Kriterium 1) hin zu „tendenziell starken und in NRW weit verbreiteten“
konvektiven Ereignissen (Kriterium 3).
3.2 Definition konvektiver Wetterlagen
Um zu analysieren, ob es Wetterlagen gibt, die bevorzugt in Verbindung mit konvektiven Ereignissen auftreten, wurden den konvektiven Tagen die jeweilige oWLK aus der Routine des DWD
zugeordnet und dann die relativen Häufigkeiten bezogen auf die Gesamtzahl der Tage (Sommertage 1980 – 2008) bestimmt.
KonWet 1.0
KonWet
Ergebnisse
9
4 Ergebnisse
4.1 Konvektive Wetterlagen
Abbildung 2 zeigt die Häufigkeiten des Auftretens der 40 oWLK für
 die Sommermonate (Mai – September) im Zeitraum 1980 – 2008 relativ zur Gesamtzahl dieser Tage,
 beim Auftreten der konvektiven Ereignisse (Kriterium 1-3 und URBAS-Daten) relativ
zur jeweiligen Gesamtzahl der konvektiven Tage.
Abbildung 3 zeigt dieselben relativen Häufigkeiten, allerdings nun nach einer Zusammenfassung der 40 WLK in acht Wetterlagentypen. Diese werden nur nach den Kriterien Zyklonalität
und Feuchte unterschieden.
Relative Häufigkeit der 40 WLK
50%
45%
40%
35%
30%
25%
20%
15%
10%
5%
XX
A
N AT
O
AA
SO T
A
S W AT
AA
N
W T
AA
XX T
A
N AF
O
AA
SO F
A
SW AF
A
N AF
W
AA
XX F
A
N ZT
O
AZ
SO T
A
S W ZT
AZ
N
W T
AZ
XX T
A
N ZF
O
AZ
SO F
A
S W ZF
A
N ZF
W
AZ
XX F
Z
N AT
O
ZA
SO T
Z
SW AT
ZA
N
W T
ZA
XX T
Z
N AF
O
Z
SO AF
Z
SW AF
ZA
N
W F
ZA
XX F
Z
N ZT
O
ZZ
SO T
Z
S W ZT
Z
N ZT
W
ZZ
XX T
Z
N ZF
O
ZZ
SO F
Z
SW ZF
ZZ
N
W F
ZZ
F
0%
Sommer 1980-2008
942 konv. Tage (Krit. 1)
460 konv. Tage (Krit.2)
122 konv. Tage (URBAS)
Abbildung 2: Relative Häufigkeit der 40 oWLK im Zeitraum 1980-2008, Sommermonate (MaiSeptember) im Vergleich zur relativen Häufigkeit der 40 oWLK bei vier verschiedenen Kriterien zur
Definition konvektiver Tage. Achtung: Grundgesamtheit für Berechnung der relativen Häufigkeiten ist unterschiedlich (siehe Text).
Wie der Abbildung 2 zu entnehmen ist, dominieren im Sommer (dunkelblaue Blaken) mit jeweils
≥ 5% relativer Häufigkeit die Wetterlagen SWAAT, NWAAT, SWAAF, NWAAF, SWAZT,
NWAZT, SWZAF und SWZZF. Dagegen zeigt sich bei allen vier Kriterien zur Definition konvektiver Tage eine auffällige Häufigkeit der drei Wetterlagen SWAAF, SWZAF und SWZZF (jeweils
mehr als 10% bei Kriterium 1). Während bei den Wetterlagen SWAAF und SWZAF die relativen
Häufigkeiten zunehmen, je „stärker“ die konvektiven Ereignisse sind – im Extremfall von Kriterium 3 fallen 20 % der 33 konvektiven Tage in die Wetterlage SWAAF und fast die Hälfte der 33
KonWet 1.0
KonWet
Ergebnisse
10
konvektiven Tage werden der Wetterlage SWZAF zugeordnet– nimmt die relative Häufigkeit der
Wetterlage SWZZF zu „stärkeren“ konvektiven Ereignissen hin ab.
Relative Häufigkeit der Wettertypen "Zyklonalität und Feuchte"
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
AAT
Sommer 1980-2008
AAF
AZT
AZF
ZAT
ZAF
ZZT
122 konv. Tage (URBAS)
ZZF
Abbildung 3: Relative Häufigkeit der acht Wettertypen „Zyklonalität und Feuchte“ im Zeitraum
1980-2008, Sommermonate (Mai-September) im Vergleich zur relativen Häufigkeit der selben acht
Wettertypen bei vier verschiedenen Kriterien konvektiver Tage
Bei Betrachtung der acht Wetterlagentypen „Zyklonalität und Feuchte“ in Abbildung 3 sieht man,
dass in den Sommermonaten die antizyklonalen Wetterlagentypen AAT und AAF und der Wetterlagentyp AZT mit jeweils um die 20% relativer Häufigkeit dominieren. Bei ausschließlicher
Betrachtung der konvektiven Tage treten dagegen besonders häufig die Wetterlagentypen AAF,
ZAF und ZZF auf. Während AAF und ZAF mit zunehmender „Stärke“ der Ereignisse höhere
relative Häufigkeiten aufweisen, zeigt ZZF ein Maximum bei „mittleren Stärken“.
KonWet 1.0
KonWet
Ergebnisse
11
12,5%
10,0%
7,5%
5,0%
2,5%
XX
A
N AT
O
AA
SO T
A
SW AT
AA
N
W T
A
XX AT
A
N AF
O
AA
SO F
A
SW AF
A
N AF
W
AA
XX F
A
N ZT
O
AZ
SO T
A
SW ZT
AZ
N
W T
A
XX ZT
A
N ZF
O
AZ
SO F
A
S W ZF
A
N ZF
W
AZ
XX F
Z
N AT
O
ZA
SO T
Z
SW AT
ZA
N
W T
ZA
XX T
Z
N AF
O
ZA
SO F
Z
SW AF
ZA
N
W F
ZA
XX F
Z
N ZT
O
Z
SO ZT
Z
S W ZT
Z
N ZT
W
ZZ
XX T
Z
N ZF
O
ZZ
SO F
Z
S W ZF
ZZ
N
W F
ZZ
F
0,0%
942 konv. Tage
Sommer 1980-2008
Abbildung 4: Relative Häufigkeit der 40 WLK im Zeitraum 1980-2008, Sommermonate (MaiSeptember) und bei Verwendung von Kriterium 1 für konvektive Tage (hier bezogen auf die Gesamtzahl der Sommertage im Auswertezeitraum); Balken auffälliger WLK (s. Text) sind hervorgehoben
Bezieht man die relative Häufigkeit der WLK der konvektiven Tage nach dem Kriterium 1 ebenfalls auf die Gesamtzahl der Tage im Auswertezeitraum (s. Abbildung 4), so erhält man einen
Eindruck davon, wie groß beim Auftreten einer WLK der Anteil konvektiver Tage (Kriterium 1)
ist. Besonders auffällig sind in diesem Fall die drei Wetterlagen SWZAF, SWZZF und SOZAF,
bei denen es sich in mehr als 50% der Fälle des Auftretens der WLK um einen konvektiven Tag
handelte.
Kombiniert man diese drei Wetterlagen mit jenen drei Wetterlagen, die auf Grund ihrer relativen
Häufigkeiten bezogen auf die Anzahl der konvektiven Tage aufgefallen sind (Abbildung 2), so
ergibt sich damit ein Kollektiv der vier
„konvektiven Wetterlagen“
SWAAF, SOZAF, SWZAF und SWZZF.
Diese vier „konvektiven Wetterlagen" wurden für die weiteren Untersuchungen herangezogen.
Dabei ist zu bemerken, dass die Wetterlage SOZAF zwar insgesamt betrachtet selten auftritt,
aber eben relativ häufig mit konvektiven Ereignissen verknüpft ist. Gerade bei einer solchen
Wetterlage wäre es von Bedeutung, wenn diese in der Zukunft einen positiven Trend in der
Häufigkeit ihres Auftretens zeigen würde.
KonWet 1.0
KonWet
Ergebnisse
12
4.2 Entwicklung konvektiver Wetterlagen in der Vergangenheit
Zunächst sollte untersucht werden, ob sich die Häufigkeit des Auftretens der konvektiven Wetterlagen in den vergangenen Jahrzehnten verändert hat. Hierzu wurden die auf Grund der
ERA40-Daten für den Zeitraum 1961-2000 berechneten oWLK genutzt. Um gleichzeitig zu sehen, wie sich die Häufigkeiten auf Grund der ERA40-Daten gegenüber den beim DWD operationell bestimmten oWLK verhalten, wurden die Zeitreihen aus der DWD-Routine für den Zeitraum 1980-2008 ergänzt. Dabei ist zu beachten, dass die oWLK auf Grundlage der ERA40Daten zum 00 UTC-Termin und jene aus der DWD-Routine zum 12 UTC-Termin bestimmt wurden. Die folgenden vier Abbildungen (Abbildung 5a-d) zeigen Zeitreihen der relativen Häufigkeit
der 4 konvektiven Wetterlagen basierend auf den zuvor genannten zwei Datensätzen.
Jährliche relative Häufigkeit der WLK SWAAF
ERA40 (1961-2000) und DWD-Routine (1980-2008)
Sommermonate (MJJAS)
16,0
14,0
relative Häufigkeit in %
12,0
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
2007
2005
2003
2001
1999
1997
1995
1993
1991
1989
1987
1985
1983
1981
1979
1977
1975
1973
1971
1969
1967
1965
1963
1961
0,0
Jahr
ERA40
KonWet 1.0
DWD-Routine
KonWet
Ergebnisse
13
Jährliche relative Häufigkeit der WLK SOZAF
16,0
14,0
12,0
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
1999
2001
2003
2005
2007
1999
2001
2003
2005
2007
1997
1995
1993
1991
1989
1987
1985
1983
1981
1979
1977
1975
1973
1971
1969
1967
1965
1963
1961
0,0
Jahr
ERA40
DWD-Routine
Jährliche relative Häufigkeit der WLK SWZAF
16,0
14,0
12,0
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
1997
1995
1993
1991
1989
1987
1985
1983
1981
1979
1977
1975
1973
1971
1969
1967
1965
1963
1961
0,0
Jahr
ERA40
KonWet 1.0
DWD-Routine
KonWet
Ergebnisse
14
Jährliche relative Häufigkeit der WLK SWZZF
16,0
14,0
12,0
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
2007
2005
2003
2001
1999
1997
1995
1993
1991
1989
1987
1985
1983
1981
1979
1977
1975
1973
1971
1969
1967
1965
1963
1961
0,0
Jahr
ERA40
DWD-Routine
Abbildung 5a-d: Zeitreihen der jährlichen (Sommermonate Mai-September) Häufigkeiten der vier
konvektiven Wetterlagen für den Zeitraum 1961-2008
Für alle vier konvektiven Wetterlagen (Abbildung 5a-d) zeigt sich eine relativ gute Übereinstimmung im zeitlichen Verlauf der relativen Häufigkeiten zwischen ERA40- und DWD-RoutineDaten im Zeitraum 1980-2000. Davon unabhängig erkennt man bei Betrachtung der einzelnen
Jahre erwartungsgemäß Unterschiede, die durch unterschiedliche Termine und unterschiedliche Gitterstrukturen der zu Grunde liegenden Modelldaten bedingt sind.
Alle vier konvektiven Wetterlagen zeigen in den Zeitreihen keinen sichtbaren Trend.
4.3 Entwicklung konvektiven Wetterlagen in der Zukunft
An Hand von Ergebnissen aus Klimaprojektionen sollte die Entwicklung der Häufigkeiten des
Auftretens der konvektiven Wetterlagen untersucht werden. Genutzt wurden hierfür Ergebnisse
aus drei Läufen des globalen Klimamodells ECHAM5/MPI-OM unter Nutzung des Szenarios
A1B. Auf Grund dieser Ergebnisse wurden für den Zeitraum 2001 – 2100 ebenfalls die täglichen
Wetterlagen bestimmt und daraus die relativen jährlichen Häufigkeiten des Auftretens der vier
konvektiven Wetterlagen ausgezählt. Da die Betrachtung einzelner Jahre bei Klimaszenarien
nicht zulässig ist, wurde auf die jährlichen Häufigkeiten ein 11-jähriges und ein 31-jähriges gleitendes Mittel angewandt (s. Abbildung 6a+b).
KonWet 1.0
KonWet
Ergebnisse
15
11-jährig gleitendes Mittel der jährlichen relativen Häufigkeit ausgewählter WLK
MPEH5, Lauf 1 - 3, SRA1B
18
16
14
12
10
8
6
4
2
2100
2095
2090
2085
2080
2075
2070
2065
2060
2055
2050
2045
2040
2035
2030
2025
2020
2015
2010
2005
2000
0
Jahr
SWAAF (1)
SWAAF (2)
SWAAF (3)
SOZAF (1)
SOZAF (2)
SOZAF (3)
SWZAF (1)
SWZAF (2)
SWZAF (3)
SWZZF (1)
SWZZF (2)
SWZZF (3)
31-jährig gleitendes Mittel der jährlichen relativen Häufigkeit ausgewählter WLK
MPEH5, Lauf 1 - 3, SRA1B
18
16
14
12
10
8
6
4
2
2100
2095
2090
2085
2080
2075
2070
2065
2060
2055
2050
2045
2040
2035
2030
2025
2020
2015
2010
2005
2000
0
Jahr
SWAAF (1)
SWAAF (2)
SWAAF (3)
SOZAF (1)
SOZAF (2)
SOZAF (3)
SWZAF (1)
SWZAF (2)
SWZAF (3)
SWZZF (1)
SWZZF (2)
SWZZF (3)
Abbildung 6a+b: Zeitreihen der jährlichen (Sommermonate Mai-September) Häufigkeiten der vier
konvektiven Wetterlagen für den Zeitraum 2001-2100 auf Grund von Klimaszenarienläufen unter
Nutzung eines 11-jährigen (a) bzw. 31-jährigen (b) gleitenden Mittels
KonWet 1.0
KonWet
Ergebnisse
16
Die insgesamt drei Klimamodellläufe wurden genutzt, um die Variabilität aufzuzeigen, die vor
allem bei Nutzung des 11-jährig gleitenden Mittels (s. Abbildung 6a) deutlich wird. Die Betrachtung der 31-jährig gleitenden Mittel (s. Abbildung 6b) ist besonders in Hinblick auf einen möglichen Trend bei den Häufigkeiten der vier konvektiven Wetterlagen hilfreich. Dabei zeigen die
Wetterlagen SOZAF, SWZAF und SWZZF jeweils keinen Trend. Bei der Wetterlage SWAAF
zeigt sich in allen drei Klimamodellläufen ein schwacher positiver Trend.
KonWet 1.0
KonWet
Zusammenfassung
17
5 Zusammenfassung
Für Nordrhein-Westfalen wurden für die Sommermonate (Mai-September) im Zeitraum 19802008 konvektive Tage auf Basis von SYNOP- und Niederschlagsdaten sowie auf Grundlage der
URBAS-Datenbank ermittelt. Durch Zuordnung der zugehörigen oWLK aus der Routine des
DWD konnten insgesamt vier Wetterlagen als häufig konvektiv identifiziert werden. Es handelt
sich dabei um die Wetterlagen SWAAF, SOZAF, SWZAF und SWZZF.
Auffällig bei diesen vier, als konvektiv eingestuften Wetterlagen ist, dass Bissolli et. al. 2007
bezüglich der oWLK im Zusammenhang mit Tornados in Deutschland zu einem analogen Ergebnis kommen. Untersucht wurde die Häufigkeit von Tornados in Deutschland im Zeitraum
1980-2003 ebenfalls in Bezug zu der oWLK aus der Routine des DWD. Die höchsten relativen
Häufigkeiten ergaben sich dabei für die Wetterlagen SWAAF, SWZAF und SWZZF.
Die Untersuchung von Zeitreihen der vier ermittelten konvektiven Wetterlagen für den Zeitraum
1961-2008 – es wurde dabei die Zeitreihe der oWLK basierend auf ERA40-Daten mit der Zeitreihe der oWLK aus der Routine des DWD kombiniert – zeigen keine auffälligen Änderungen in
der Häufigkeit ihres Auftretens. Um eine mögliche zukünftige Änderung in der Häufigkeit des
Auftretens dieser vier konvektiven Wetterlagen zu untersuchen, wurden Ergebnisse von drei
ECHAM5/MPI-OM Läufen mit dem Szenario A1B genutzt. Unter Anwendung eines 11-jährigen
bzw. eines 31-jährigen gleitenden Mittels zeigen die relativen jährlichen (Sommermonate) Häufigkeiten für die Wetterlagen SWZAF, SWZZF und SOZAF keine Trends im Zeitraum 2001 bis
2100. Für die Wetterlage SWAAF zeigt sich in allen drei genutzten Szenarienläufen ein positiver
Trend.
Mit der vorliegenden Untersuchung konnte nur ein erster Eindruck von für NRW möglicherweise
relevanten konvektiven Wetterlagen und deren Entwicklung in der Vergangenheit und in der
Zukunft gewonnen werden. Es sind daraus jedoch noch keine Aussagen möglich, ob sich die
Häufigkeit konvektiver Ereignisse in NRW in einem zukünftigen veränderten Klima evtl. ebenfalls verändern. Hierzu sind weitere Untersuchungen notwendig.
KonWet 1.0
KonWet
Literaturverzeichnis
18
6 Literaturverzeichnis
Bissolli, P., Dittmann, E.: The objective weather type classification of the German Weather Service and its possibilities of application to environmental and meteorological investigations, Meteorologische Zeitschrift, Vol. 10, No.4, 253-260, 2001
Bissolli, P., J. Grieser, N. Dotzek, and M. Welsch: Tornadoes in Germany 1950-2003 and their
relation to particular weather conditions. Global and Planetary Change 57, 2007, 124-138
Dittmann, E., Barth, S., Lang, J., Müller-Westermeier, G.: Objektive Wetterlagenklassifikation
Ber. d. DWD, 197, Selbstverlag des DWD, 1995
ExUS: Extremwertstatistische Untersuchung von Starkniederschlägen in NRW (ExUS) - Veränderung in Dauer, Intensität und Raum auf Basis beobachteter Ereignisse und Auswirkungen auf
die Auftretenswahrscheinlichkeit. Abschlussbericht, erstellt für das Landesamt für Natur, Umwelt
und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen durch die Arbeitsgemeinschaft aqua_plan GmbH,
hydro & meteo GmbH & Co KG und dr. papadakis GmbH. 334 S., 2010
Krahe, P., Nilson, E., Gelhardt, U., Lang, J.: Auswertungen ausgewählter globaler Klimamodelle
hinsichtlich atmosphärischer Zirkulationsbedingungen im Nordatlantisch-Mitteleuropäischen
Sektor (oWLK, NAO). DOI: 10.5676/BfG-1682-2011, 2011
Röckner, E.; Lautenschlager, M.: Schneider, H.: IPCC-AR4 MPI-ECHAM5_T63L31 MPIOM_GR1.5L40 20C3M run no.1: atmosphere 6 HOUR values MPImet/MaD Germany. [doi:
10.1594/WDCC/EH5-T63L31_OM-GR1.5L40_20C_1_6H], 2006a
Röckner, E.; Lautenschlager, M.: Schneider, H.: IPCC-AR4 MPI-ECHAM5_T63L31 MPIOM_GR1.5L40 SRESA1B run no.1: atmosphere 6 HOUR values MPImet/MaD Germany. [doi:
10.1594/WDCC/EH5-T63L31_OM-GR1.5L40_A1B_1_6H], 2006b
Sander, J., Dotzek, N., Sausen, R.: First results of climate change impacts on severe convective
storms over Europe, Poster, The 24th Conference on Severe Local Storms, Savannah, GA,
USA, 2008
Toussaint, 2003: ERA40_PL00_6H (Atmosphere, pressure level). CERA-DB ERA40_PL00_6H"
http://cera-www.dkrz.de/WDCC/ui/Compact.jsp?acronym=ERA40_PL00_6H
KonWet 1.0

KonWet Bericht zur Untersuchung konvektiver Wetterlagen in

Transcription

Similar documents

Machbarkeitsstudie „Starkregenrisiko 2050“ Abschlussbericht

komplette Bachelorarbeit - Hessisches Landesamt für Naturschutz

Statistische Verfahren zur Auswertung von Klimadaten aus Modell

Simulation einjähriger Klimazeitreihen in Süddeutschland mit dem