Lagrangian Dynamics of European heat waves
Creators: name: Zschenderlein, Philipp
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2020
Subjects: Heat waves
Lagrangian perspective
diabatic processes

description: Hitzewellen sind meteorologische Extremereignisse mit gesundheitlichen und sozioökonomischen Auswirkungen. In einem sich verändernden Klima ist zu erwarten, dass diese Ereignisse zunehmen werden. Modernste numerische Wettervorhersagemodelle sind in der Lage, das Auftreten von Hitzewellen vorherzusagen. Beginn, Dauer, Ende und Ausmaß der Ereignisse stellen jedoch nach wie vor eine Herausforderung für die Vorhersagemodelle dar und das grundlegende Verständnis der Entstehung und Aufrechterhaltung von Hitzewellen ist noch immer nicht vollständig. Daher wird in dieser Arbeit untersucht, wie sich hohe oberflächennahe Temperaturen während Hitzewellen und die damit verbundenen obertroposphärischen Zirkulationsmuster entwickeln. Darüber hinaus wird die Vorhersagbarkeit ausgewählter Hitzewellen untersucht. Die erste Fallstudie analysiert die spätsommerliche Hitzewelle über Europa im Jahr 2016. Mittel-, West- und Südwesteuropa sind in erster Linie von den hohen Temperaturen betroffen. Sevilla (Spanien) erlebt am 5. September 2016 mit 44,8°C die höchste jemals gemessene Temperatur im September und in Trier (Deutschland) erreichen die Temperaturen am 13. September 2016 34,2°C. Die Hitzewelle ist durch drei deutliche Spitzenwerte gekennzeichnet, begleitet von Rekordwerten der geopotentiellen Höhe in 500 hPa und, in geringerem Maße, der Temperatur in 850 hPa. Diese Spitzenwerte stehen im Zusammenhang mit der Ankunft von hochamplitudigen Rossby-Wellenpaketen in Westeuropa. Letztere entstehen einige Tage vor dem Ereignis über dem Westen Nordamerikas. Während der drei Peaks der Hitzewelle ist nicht die lokale Temperaturadvektion, sondern das Absinken und die daraus resultierende adiabatische Kompression in der freien Atmosphäre in Kombination mit Grenzschichtprozessen für das Auftreten der extremen Temperaturepisoden verantwortlich. Operationelle Ensemblevorhersagen zeigen in Bezug auf die Modellklimatologie die höchsten Wahrscheinlichkeiten für extreme Temperaturen in Trier, gefolgt von Sevilla und Bordeaux. Die Entwicklung hoher oberflächennaher Temperaturen während Hitzewellen wird für den Zeitraum von 1979 bis 2016 für verschiedene Klimazonen in Europa analysiert. Hitzewellen werden mit Hilfe eines auf einem Perzentil basierenden Index definiert und die Hauptprozesse, die entlang der Trajektorien quantifiziert werden, sind die adiabatische Kompression durch Absinken sowie lokale und entfernte diabatische Prozesse in der oberen und unteren Troposphäre. Diese Lagrangesche Analyse wird durch eine Euler'sche Berechnung der horizontalen Temperaturadvektion ergänzt. Während typischer Sommer in Europa treten ein oder zwei Hitzewellen mit einer durchschnittlichen Dauer von fünf Tagen auf. Während hohe oberflächennahe Temperaturen über Skandinavien von omega-ähnlichen Verteilungen der geopotentiellen Höhe in 500 hPa begleitet werden, sind Hitzewellen über dem Mittelmeer mit vergleichsweise flachen Rücken verbunden. Wenn die Luftmassen von den Hitzewellen rückwärts verfolgt werden, können drei Trajektoriencluster mit kohärenten thermodynamischen Eigenschaften, vertikalen Bewegungen und geographischen Ursprüngen identifiziert werden. In allen Regionen ist die horizontale Temperaturadvektion eher vernachlässigbar. In zwei der drei Cluster ist das Absinken in der freien Atmosphäre sehr wichtig, um hohe Temperaturen nahe der Oberfläche zu erzeugen, während sich die Luftmassen im dritten Cluster hauptsächlich aufgrund der diabatischen Erwärmung nahe der Oberfläche erwärmen. Große interregionale Unterschiede treten zwischen den Britischen Inseln und Westrussland auf. In der letztgenannten Region scheinen oberflächennaher Transport und diabatische Erwärmung sehr wichtig für die Bestimmung der Intensität der Hitzewellen zu sein, während für die Britischen Inseln Absinken und adiabatische Erwärmung von Bedeutung sind. Obwohl das großräumige Muster während der Hitzewellentage quasi-stationär ist, werden während des Lebenszyklus einer Hitzewelle ständig neue Luftmassen in die untere Troposphäre transportiert. Insgesamt bieten die Ergebnisse dieser Analyse einen Leitfaden, auf welche Prozesse und Diagnoseverfahren sich Wetter- und Klimastudien konzentrieren sollten, um die Schwere von Hitzewellen zu verstehen. Auf die klimatologische Analyse hoher Oberflächentemperaturen während Hitzewellen folgt eine Lagrangesche Analyse von obertroposphärischen Antizyklonen, die in verschiedenen europäischen Regionen im Zeitraum von 1979 bis 2016 mit bodennahen Hitzewellen in Verbindung stehen. Um die Bildung dieser Antizyklonen und die Rolle diabatischer Prozesse zu klären, werden Luftpakete rückwärts von den obertroposphärischen Antizyklonen verfolgt und das diabatische Heizen in diesen Luftpaketen quantifiziert. Etwa 25-45 % der Luftpakete werden in den letzten drei Tagen vor ihrer Ankunft in den obertroposphärischen Antizyklonen diabatisch geheizt, und dieser Anteil steigt in den letzten sieben Tagen auf 35-50 %. Der Einfluss des diabatischen Heizens ist bei hitzewellenbedingten Antizyklonen in Nordeuropa und Westrussland größer und in Südeuropa kleiner. Interessanterweise findet das diabatische Heizen in zwei geographisch getrennten Luftströmen statt. Drei Tage vor der Ankunft befindet sich ein diabatisch geheizter Luftstrom (entfernter Luftstrom) über dem westlichen Nordatlantik und der andere diabatisch geheizte Luftstrom (nahe gelegener Luftstrom) über Nordwestafrika/Europa südwestlich der obertroposphärischen Zielantizyklone. Das diabatische Heizen im entfernten Luftstrom steht im Zusammenhang mit warm conveyor belts in nordatlantischen Zyklonen stromaufwärts des sich entwickelnden obertroposphärischen Rückens. Im Gegensatz dazu wird der nahegelegene Luftstrom durch Konvektion diabatisch geheizt, was durch eine erhöhte konvektiv verfügbare potenzielle Energie entlang der Westseite der stärker ausgeprägten obertroposphärische Antizyklone deutlich wird. Die meisten europäischen Regionen werden von beiden Luftströmen beeinflusst, während Westrussland überwiegend vom nahe gelegenen Luftstrom betroffen ist. Der entfernte Luftstrom beeinflusst vorwiegend die Bildung der obertroposphärischen Antizyklone und damit der Hitzewelle, während der nahe Luftstrom während der Aufrechterhaltung der Antizyklone aktiver ist. Bei lang anhaltenden Hitzewellen regeneriert sich der entfernte Luftstrom wieder. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die dynamischen Prozesse, die zu Hitzewellen führen, möglicherweise empfindlich auf kleinskalige mikrophysikalische und konvektive Prozesse reagieren, deren genaue Darstellung in Modellen daher für die Vorhersage von Hitzewellen auf Wetter- und Klimazeitskalen entscheidend sein dürfte. Die Arbeit schließt mit der Vorhersagbarkeit einer lang anhaltenden Hitzewelle, die vom 24. Juli bis zum 9. August 2018 weite Teile Mitteleuropas erfasste. Sowohl 3- als auch 7-tägige operationelle Vorhersagen unterschätzen oft die über das Gebiet der Hitzewelle gemittelten 2-m-Temperaturen. Fehler auf der 7-Tage-Zeitskala hängen mit der Dynamik in der oberen Troposphäre zusammen, wie eine konsistente Unterschätzung der geopotentiellen Höhe von 500 hPa zeigt. Allerdings sind die Fehler von 500 hPa geopotentieller Höhe bei 3-Tages-Vorhersagen erheblich reduziert, und für diese Vorlaufzeit hängen die Vorhersagefehler mit physikalischen Prozessen entlang der Trajektorien zusammen. In einem neuen und einzigartigen Ansatz, der auf einer Kombination von Trajektorien aus Reanalysen und Vorhersagen basiert, wird festgestellt, dass 2-m-Temperaturfehler von 3-Tages-Vorhersagen hauptsächlich auf diabatische Prozesse in der planetaren Grenzschicht zurückzuführen sind. Bei Vorhersagen, die die 2-m-Temperatur unterschätzen, wird die diabatische Erwärmung entlang von Trajektorien zwischen 12 und 18 UTC erheblich unterschätzt. Der Temperaturfehler am Ort der Hitzewelle ist auf die planetare Grenzschicht beschränkt und in der freien Atmosphäre deutlich reduziert.