Einfluss atmosph&#228;rischer Umgebungsbedingungen auf den Lebenszyklus konvektiver Zellen im Nowcasting
Authors: Wilhelm Jannik , Blahak Ulrich , Feger Robert , Wapler Kathrin , Potthast Roland , Kunz Michael 
Published: December 2021

&lt;p&gt;Trotz signifikanter Verbesserungen in den vergangenen Jahren sind die Unsicherheiten insbesondere bei der Vorhersage von Gewittern und ihren Begleiterscheinungen wie Starkregen, Hagel oder Sturmb&amp;#246;en selbst mit konvektionsaufl&amp;#246;senden Wettervorhersagemodellen der Wetterdienste noch immer zu gro&amp;#223;, um daraus verl&amp;#228;ssliche und m&amp;#246;glichst punktgenaue Warnungen abzuleiten. F&amp;#252;r kurzfristige Pr&amp;#228;ventionsma&amp;#223;nahmen bis hin zur Evakuierung von Menschen beispielsweise bei Veranstaltungen im Freien sind pr&amp;#228;zise Vorhersagen auf kurzen Zeitskalen jedoch unerl&amp;#228;sslich. Mit den Verfahren der Echtzeit-Vorhersage (Nowcasting) lassen sich Gewitterereignisse und ihre wesentlichen Merkmale identifizieren und aus der Kenntnis der Historie f&amp;#252;r Zeitskalen von einigen Minuten bis zu wenigen Stunden extrapolieren beziehungsweise vorhersagen. Die &amp;#252;blicherweise kurze Lebensdauer konvektiver Ereignisse und deren schnelle Entwicklung w&amp;#228;hrend instabiler Wetterlagen f&amp;#252;hren jedoch oftmals zu einer erheblichen Diskrepanz zwischen den Nowcasting-Vorhersagen und den beobachteten Wetterbedingungen. Hier besteht folglich ein gro&amp;#223;es Verbesserungspotential.&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;Pr&amp;#228;sentiert wird eine Analyse der Lebenszyklen von konvektiven Zellen in Deutschland, welche die vorherrschenden atmosph&amp;#228;rischen Bedingungen miteinbezieht. Au&amp;#223;erdem werden verschiedene statistische Modelle zur Absch&amp;#228;tzung der Lebensdauer und Gr&amp;#246;&amp;#223;e konvektiver Zellen im Sinne des Nowcastings vorgestellt. Ein Vergleich dieser Modelle erm&amp;#246;glicht es zu beurteilen, welche Methode am besten geeignet ist, Nowcasting-Verfahren f&amp;#252;r Warnmanagementsysteme von Wetterdiensten zu verbessern.&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;Unter Verwendung von Daten des radarbasierten Zellverfolgungsalgorithmus KONRAD des Deutschen Wetterdienstes (DWD) wurden objektbasierte Lebenszyklen von isolierter Konvektion (Einzel- und Superzellen) f&amp;#252;r die Sommerhalbjahre 2011-2016 analysiert. Zus&amp;#228;tzlich wurde eine Vielzahl konvektionsrelevanter atmosph&amp;#228;rischer Variablen (z.B. Deep Layer Shear, CAPE, Lifted Index), die mittels hochaufl&amp;#246;sender COSMO-EU Assimilationsanalysen berechnet wurden, mit den Lebenszyklen kombiniert. Auf der Grundlage dieses kombinierten Datensatzes werden statistische Zusammenh&amp;#228;nge zwischen verschiedenen Zellattributen und atmosph&amp;#228;rischen Variablen diskutiert. Wie die Analysen zeigen, sind insbesondere Ma&amp;#223;e der vertikalen Windscherung aufgrund ihres Einflusses auf die Organisationsform der Zellen geeignet, zwischen solchen mit kurzer und langer Lebensdauer zu unterscheiden. Erh&amp;#246;hte thermische Instabilit&amp;#228;t ist mit einem schnelleren anf&amp;#228;nglichen Zellwachstum verbunden, was eine gr&amp;#246;&amp;#223;ere horizontale Zellexpansion (Zellfl&amp;#228;che) w&amp;#228;hrend des Lebenszyklus und indirekt eine l&amp;#228;ngere Lebensdauer beg&amp;#252;nstigt.&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;Drei verschiedene multivariate Methoden (logistische Regression, &lt;em&gt;Random Forest&lt;/em&gt;, nichtlinearer polynomialer Ansatz) wurden als statistische Modelle zur Sch&amp;#228;tzung der Lebensdauer und der maximalen Zellfl&amp;#228;che konvektiver Zellen unter Verwendung eines Ensemble-Ansatzes untersucht (&quot;&amp;#220;berwachtes Maschinelles Lernen&quot;). Die Vorhersageg&amp;#252;te der Modelle wurde mittels probabilistischer Evaluation bewertet und die Bedeutung der anf&amp;#228;nglichen Zellentwicklung und der atmosph&amp;#228;rischen Variablen f&amp;#252;r den weiteren Verlauf des Lebenszyklus quantifiziert. Es werden Potentiale und Grenzen der drei Methoden aufgezeigt, die verdeutlichen, dass die Wahl einer geeigneten Methode von dem genauen Nowcasting-Problem bzw. der Anforderung abh&amp;#228;ngt. Die Untersuchungen legen nahe, dass die maximale Zellfl&amp;#228;che konvektiver Zellen besser abgesch&amp;#228;tzt werden kann als ihre Lebensdauer. Atmosph&amp;#228;rische Variablen, die den dynamischen und thermodynamischen Zustand der Atmosph&amp;#228;re charakterisieren, sind zu Beginn der Zellentwicklung besonders wichtig f&amp;#252;r die Absch&amp;#228;tzung der zuk&amp;#252;nftigen Entwicklung der Zellattribute, w&amp;#228;hrend mit zunehmendem Zellalter die Zellhistorie immer relevanter wird.&lt;/p&gt;