english  | Home | Sitemap | KIT

Umwandlung von tropischen Wirbelstürmen in außertropische Tiefdruckgebiete (ET) in Ensemble Vorhersagen

Umwandlung von tropischen Wirbelstürmen in außertropische Tiefdruckgebiete (ET) in Ensemble Vorhersagen
Ansprechpartner:D. Anwender
Projektgruppe:Wettersysteme: Modellierung und Gefährdungsanalyse
Untersuchung von ET in der Ensemblevorhersage
Publikationen
Titel Bild Quelle Kurzbeschreibung
EGU General Assembly, Vienna, Austria, 24.-29.4.2005 (Poster)
27th Conference on Hurricanes and Tropical Meteorology. Monterey, CA, USA, 24.-28.04.2006   (Poster)


Beschreibung

Motivation

Fast die Hälfte aller tropischen Wirbelstürme in der Nordhemisphäre geraten in den Einflussbereich der mittleren Breiten. Sie durchlaufen dabei strukturelle Änderungen und können sich letztendlich in ein außertropisches Tief umwandeln (Extratropical Transition = ET). Durch synoptisch-skalige Beeinflussung des Strömungsmusters der mittleren Breiten bedrohen solche Systeme nicht nur die Gebiete, in denen sie auf Land treffen, sondern hängen auch mit der Entwicklung von schweren Unwetterereignissen an der Ostseite des Ozeanbeckens, in dem sie entstanden sind, zusammen. Ein Wirbelsturm an der Westseite des Atlantiks, beispielsweise, kann also eine Schlüsselrolle in der Entwicklung von Stürmen und schweren Überschwemmungen in Europa spielen.

Die relativ kleinen Skalen von tropischen Wirbelstürmen und die komplizierten physikalischen Prozesse, die durch die Wechselwirkung eines tropischen Wirbelsturms mit den mittleren Breiten auftreten, stellen schwierige Probleme für die numerische Vorhersage dar. Ein ET-Ereignis kann die Güte der mittelfristigen Vorhersagen stromabwärts von tropischen Zyklonen, und damit für Europa und den Westen Nordamerikas, erheblich reduzieren. Um diese Unsicherheiten zu umfassen läuft der Trend bei Wettervorhersagezentren immer mehr auf Ensemblevorhersage hinaus. Bei dieser Prozedur wird gezielt nach den größten Instabilitäten in der Atmosphäre gesucht und die Auswirkungen eines größtmöglichen Fehlerwachstums berechnet. Dies wird durch die Addition und Subtraktion von kleinen Abweichungen von den Anfangsbedingungen auf die Analyse, die die Anfangsbedingungen für die nächste Vorhersage stellt, bewerkstelligt, von denen aus parallel Vorhersagen gerechnet werden.

Methode und Fallstudien

Die Darstellung von einigen ET-Ereignissen im Ensemblevorhersagesystem (EPS) des ECMWF wird untersucht und Maße für die relative Vorhersagbarkeit von ET-Ereignissen werden bestimmt. Bei Betrachtung eines Spaghettiplots des 500 hPa Geopotentials (Abb. 1 oben) wird deutlich, dass in Zusammenhang mit der ET von Maemi (2003) (schwarzer Punkt) die Ensemblemitglieder weit auseinander laufen, dass also die Vorhersage stromabwärts des ET-Ereignisses sehr unsicher ist. Mit einem Hovmoellerplot der Standardabweichung des 500 hPa Geopotentials in den Ensemblemitgliedern des EPS kann die Unsicherheit quantifiziert werden (Abb. 1 unten). Hier wird deutlich, dass die ET von Maemi ein Gebiet beeinflusst (weiße Linien), welches sich mit zunehmender Vorhersagezeit stromabwärts ausdehnt. Die beiden Maxima in diesem Gebiet (schwarze Striche) hängen mit der ET selber und einem stromabwärtigen Trog zusammen.


Abb. 1: ECMWF EPS Vorhersage vom 10 September 2003 12 UTC gültig für 10 Tage. Links: Spaghettiplot  des 500 hPa Geopotentials. Rechts: Hovmöllerdiagramm der 500hPa Standardabweichung (m) des Geopotentials. Die ET’s von Maemi und Isabel sind mit schwarzen Kreisen gekennzeichnet. Schwarze Linien weisen auf die Bereiche erhöhter Standardabweichung hin und die weißen Linien bezeichnen das Gebiet, welches durch die ET von  Maemi als beeinflusst angenommen wird. 

Mithilfe einer Analysemethode, die sich aus Hauptkomponentenanalyse kombiniert mit Clustern der Hauptkomponenten zusammensetzt, ergibt sich, dass die Ensemblemitglieder in den Maxima der Variabilität in Gruppen, die unterschiedliche atmosphärische Entwicklungen aufweisen, zusammengefasst werden können (Abb. 2). Mit der Hauptkomponentenanalyse werden die Regionen der stärksten Variabilität im Ensemble bezüglich Intensität und Lage gefunden und der Beitrag eines jeden Ensemblemitgliedes zu diesen Regionen bestimmt. Mittels der Clusterings werden die Ensemblemitglieder zusammengruppiert, die in ähnlicher Weise zu diesen Variabilitätsmustern beitragen.

Abb. 2: 4 ausgewählte Cluster für die EPS Vorhersage vom 10. September 2003 12 UTC gültig für 14. September 00 UTC. Schattiert: Potentielle Temperatur auf der dynamischen Tropopause. Konturen: Bodendruck. Maemi ist durch einen weissen Kreis markiert.

 

Experimente

Um ein Ensemble zu erzeugen werden am ECMWF zusätzlich zu den Anfangsstörungen in den Außertropen gezielte Anfangsstörungen auf tropische Wirbelstürme gerechnet. In der neusten Version des EPS können solche gezielten Berechnungen auch für Wirbelstürme durchgeführt werden, die sich in die mittleren Breiten bewegen und ET vollziehen. In dem Projekt werden durch Experimente mit dem EPS die Auswirkungen dieser neuen Anfangsstörungen getestet. Das EPS wird für ausgewählte Wirbelstürme mit und ohne gezielte Anfangsstörungen gestartet und die Unterschiede werden bestimmt.
In Abb. 2 ist die Differenz der root-mean-square (RMS) Abweichung von der Kontrollvorhersage für drei EPS Vorhersagen, 2 Tage, 3,5 Tage und 4 Tage, vom 16. Oktober 2004 12 UTC zwischen Läufen mit und ohne zusätzliche gezielte Störungen auf Typhoon Tokage (2004) dargestellt.
Mithilfe der oben genannten Analysemethode kann gezeigt werden, dass die größere Variabilität in den Läufen mit gezielten Störungen auf Tokage durch zusätzliche atmosphärische Strömungsmuster entsteht, die in den Läufen ohne gezielte Störungen nicht auftreten.

Abb. 3. Vorhersage vom 16. Oktober 2004 12 UTC. RMS Differenz der EPS Vorhersage mit gezielten Störungen auf Tokage minus RMS Differenz der EPS Vorhersage ohne gezielte Störungen auf Tokage (schattiert) zusammen mit Geopotential (Konturen) auf 200 hPa.