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Den atmosphärischen Einfluss auf die Lebensdauer von Gewittern besser verstehen

Die lückenlose Verfügbarkeit von Satelliten- und Wetterradardaten hat besonders in den letzten zwei Dekaden die Anwendung von Zellverfolgungsalgorithmen (Tracking-Algorithmen) ermöglicht, die unter anderem Gewitterzellen detektieren und ihre Zugbahn über große Entfernungen verfolgen können. Aus der Sicht von Warn- und Wetterdiensten sowie beispielsweise Organisatoren von Großveranstaltungen oder des Flugverkehrs ist besonders interessant zu wissen, wohin bereits entstandene Gewitter in den nächsten Minuten und Stunden ziehen werden und ob ihre Intensität (und die damit verbundene Unwettergefahr) zu- oder abnehmen könnte. Gerade die Intensitätsentwicklung bedarf zurzeit noch intensiverer Forschung, da hier viele Prozesse noch nicht ausreichend verstanden sind.

Im Projekt LifeCycle, einem aktuellen Forschungsprojekt der Arbeitsgruppe „Atmosphärische Risiken“ in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Wetterdienst (DWD), wird daher gerade der Einfluss atmosphärischer Umgebungsbedingungen auf den Lebenszyklus von Gewittern, d.h. die Lebensdauer sowie den zeitlichen Verlauf der Zellgröße und -intensität, untersucht. Dazu werden Tracking-Daten (basierend auf Radardaten) der letzten Jahre mit Modelldaten des DWD kombiniert und statistisch analysiert.

In Abbildung 1 ist die zeitliche Entwicklung einer Gewittereigenschaft – die Fläche der Gewitterzelle, die in den Wetterradardaten einen festen Schwellwert der Radarreflektivität (> 46 dBz) überschreitet – dargestellt. Dabei wurden hauptsächlich solche Gewitterzellen betrachtet, die sich nicht zu größeren Gewitterkomplexen zusammenschließen. Man erkennt, dass kurzlebige Gewitterzellen im Mittel kleiner sind als langlebige. Zudem wird deutlich, dass der zeitliche Verlauf der Zellfläche statistisch gesehen im Mittel einer nach unten geöffneten Parabel entspricht, egal wie lange die Gewitterzellen leben. Durch diesen Erkenntnisgewinn kann bereits ein erstes, vereinfachtes Lebenszyklus-Modell für das Nowcasting (Vorhersage der nächsten 2 Stunden) von Gewitterzellen entwickelt werden.

Auch wenn im Mittel die zeitliche Entwicklung der Zellfläche recht gut durch eine Kurve approximiert werden kann, so ist die Variabilität bei einzelnen Gewitterzellen doch sehr hoch. Deswegen werden derzeit verschiedene atmosphärische Umgebungsbedingungen, die zur Beobachtungszeit des Gewitters vorherrschten, statistisch genauer untersucht, um so besondere Abhängigkeiten zu identifizieren. Dazu gehören unter anderem meteorologische Größen, die den Feuchtegehalt der Luft (z.B. Taupunkt), die Stabilität (z.B. Lapse Rate = vertikaler Temperaturgradient zwischen zwei bestimmten Höhenschichten) und die Dynamik der Atmosphäre (z.B. Deep Layer Shear = Winddifferenz zwischen 0 und 6 km über Grund) beschreiben. Erste Auswertungen deuten darauf hin, dass ein Trend zu längeren Lebenszeiten von Gewittern beobachtet werden kann, je instabiler die Schichtung der Atmosphäre (hohe Werte für die Lapse Rate zwischen der 850- und der 500-hPa-Druckschicht) und je höher die vertikale Windscherung ist (Abb. 2). Gewitterzellen, die bei hoher Deep Layer Shear und großer Lapse Rate auftreten, leben folglich etwa doppelt so lange als solche, die bei niedrigen Werten auftreten. Diese Ergebnisse bestätigen die Theorie, dass sich die hier gezeigten Umgebungsgrößen positiv auf die Organisationsstruktur, also unter anderem die Lebensdauer und die Größe von Gewittern auswirken.

Dieses Beispiel stellt erst den Anfang weiterer intensiver Untersuchungen des Einflusses von atmosphärischen Umgebungsgrößen auf den Lebenszyklus von Gewittern dar. Darüber hinaus sollen auch innovative Ansätze erprobt werden, wie beispielsweise die Verwendung von rekurrenten neuronalen Netzen zur Entwicklung eines maschinell trainierten Vorhersagemodells. Die Forscher von IMK-TRO und DWD wirken mit diesem Projekt direkt in die Schnittstelle zwischen aktueller Wetterbeobachtung und Kürzestfristvorhersage hinein. Das übergeordnete Ziel ist dabei eine nahtlose Wettervorhersage der nächsten 12 Stunden (Seamless Prediction).

Abb. 1: Mittlere Flächenentwicklung aller Gewitterzellen (2011 – 2016, Sommerhalbjahre) basierend auf Radardaten, geordnet nach ihrer Lebensdauer. Unterschiedliche Linienfarben indizieren unterschiedliche Lebensdauern. Die Zahlen an den Enden der Linien geben die Anzahl der Zellen an, die berücksichtigt wurden (©KIT/Jannik Wilhelm).

Abb. 2: Mittlere Lebensdauern aller Gewitterzellen (2011 – 2016, Sommerhalbjahre), klassifiziert nach zwei beispielhaften atmosphärischen Umgebungsgrößen. Klassen, zu denen weniger als 20 Gewitter beitrugen, sind transparent dargestellt (©KIT/Jannik Wilhelm).

Weiterführende Links:

 

[Arbeitsgruppe: Atmosphärische Risiken]
Autor: Jannik Wilhelm
24.10.2019