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Multivariate Klassifikation extremer Niederschlags- und Abflussereignisse in den nordhemisphärischen Mittelbreiten und modellbezogene Abschätzungen für das 21. Jahrhundert (bereits abgeschlossen)


Projektstart: 01.01.2003
Projektende: 31.12.2005
Projektträger: Cusanuswerk (Promotionsstipendium seit Jan. 2003)
Projektverantwortung vor Ort: Prof. Dr. J. Jacobeit

Zusammenfassung

Im Themenfeld des ‚Globalen Klimawandels’ ist von besonderem Interesse, inwieweit Eigenschaften gerade extremer Witterungsereignisse sich in den nächsten Jahrzehnten ändern werden. Starkniederschläge sind ein prominentes Beispiel. Regional können sich dabei kleinräumige Differenzierungen ergeben, die aus Resultaten grobmaschiger Globaler Klimamodelle (General Circulation Models/ GCM, Abstand der Gitternetzpunkte mehrere 100 km) nur indirekt abzuleiten sind. Die Ableitung regionaler Niederschläge aus großräumigen Modelldaten (sogenanntes Downscaling) ist daher insofern kritisch zu betrachten, als die Beziehung zwischen regionalem Niederschlag (Größenordnung Mitteleuropas und kleiner) und Großwetterlage (d.h. Luftdruckverteilung im kontinentalen Maßstab) zeitlich starkem Wandel unterliegt. Folglich und im Unterschied dazu ist die Aussonderung von Fronten und Konvektivlagen, in ihren regionalen bis lokalen Dimensionierungen Hauptausgangspunkt dieses Projekts: Der grundsätzliche Vorteil kann darin liegen, dass Wetterfronten und Konvektionsphänomene räumlich ähnlich ausgedehnt sind wie vom resultierenden Niederschlag und Abfluss betroffene Räume. Darauf aufbauend soll mittels Daten des ozeangekoppelten GCM ECHAM 4 (Hamburg) eine konsistentere Abschätzung der Niederschlagsverhältnisse des 21. Jahrhunderts resultieren.

Beschreibung

Für das 20. Jahrhundert liegen zeitlich und räumlich mehr oder minder hoch auflösende Stations- und Gitterpunkt/-feld-Datensätze zu einer Vielzahl meteorologischer Parameter vor. Der Blick des Projekts soll auf ausgewählte Gebiete der nordhemisphärischen Mittelbreiten fallen (Mitteleuropa: ca. 4–19°E, 46-54°N, Nordosten der USA: ca. 68-86°W, 36-45°N). Im Übergangsgebiet zwischen Subtropen und Westwindzone könnten sich hier zukünftig Wandlungen vergleichsweise einschneidend bemerkbar machen. Klimageographisch relevant ist die unterschiedliche kontinentale west- bzw. ostseitige Lage der beiden Gebiete. Ausgangspunkt der Analyse sind täglich aufgelöste Datensätze zu Niederschlag und Abfluss aus der 2. Hälfte des 20. Jahrhunderts. Der Qualitätskontrolle der Stationsreihen soll die Erstellung eines Singularitätenkalenders für die einzelnen Lokalitäten folgen, um erste räumliche Differenzierungen, etwa mittels Clusteranalyse, ausfindig zu machen. Zum Zweiten soll auf Basis statistischer Kriterien (z.B. Standardabweichungsvielfache, Perzentilüberschreitung/ -unterschreitung, Wiederkehrzeiten) eine Auswahl der Tage mit Extremereignissen erfolgen. Über Einbeziehung von Merkmalen aus der täglichen Großwetterlagenzuordnung (Mitteleuropa) bzw. der Spatial Synoptic Classification (USA) kann eine Spezifizierung der Witterungsregelfälle und der Extremtage vonstatten gehen. Ungewöhnliche Trockenheit wird ebenfalls als extrem betrachtet, indem Sequenzen von Tagen ohne oder mit geringfügigem Niederschlag als Trockenperioden gelten. Aus dem umfangreichen Sample der Extremtage wiederum soll durch multivariate Methoden komprimierte Information gewonnen werden. Ziel ist die Klassifizierung raumzeitlicher Eigenschaften - Häufigkeit, Intensität, Andauer - von Starkniederschlagsfeldern und Hochwassern mittels Regressions-, Diskriminanz- und Hauptkomponentenanalyse. Die Ergebnisse können anhand der gegitterten NCEP/NCAR-Reanalysedaten (2,5° Gitterpunktabstand) zu Niederschlagsrate, konvektivem Niederschlag und Oberflächenabfluss einer Prüfung unterzogen werden. Als Kontrollparameter stehen zudem Wasseräquivalentdaten der Schneedecke und Bodenfeuchtewerte zur Verfügung. Im nächsten Schritt soll als Ursache von Niederschlags- und Abflussvariabilitäten nicht das großräumige Zirkulationsmuster (Großwetterlage) betrachtet werden, sondern Art und Häufigkeit von frontalen und konvektiven Situationen über der betroffenen Region selbst. Diverse in der Literatur angewandte Methoden sollen ebenso getestet werden wie eigene numerische Ansätze. Ziel ist letztlich die Detektion frontaler und konvektiver Typen auf täglicher Basis für mehrere troposphärische Stockwerke. Weiterführende Typisierungsversuche beziehen meteorologische Variablen wie Geopotential, spezifische Feuchte, Windrichtung und –stärke, potentielle Temperatur, Taupunkttemperatur und Bewölkungsgrad ein. Es soll derart eine von Niederschlagsprädiktoren unabhängige Zeitserie frontaler Durchgänge und Konvektivereignisse über Mitteleuropa und dem Nordosten der USA kreiert werden. Rechnerisch wird dabei mit räumlichen Gradienten (horizontal wie vertikal), zeitlichen Gradienten (interdiurne Veränderungen) und Schichtdicken gearbeitet. Es müssen problemadäquate Schwellenwerte zur Festlegung der Existenz einer Front bzw. einer ausgeprägten Konvektivlage abgeleitet werden, des Weiteren Grenzwerte hinsichtlich einer Intensitätsabstufung. Es folgt die Frage, ob und inwieweit eine Korrelationsmatrix zwischen Fronten- und Konvektiklassen einerseits, Niederschlags- und Hochwasserextremen andererseits plausible Hinweise auf ursächliche Zusammenhänge gibt. Ist dies, gegebenenfalls nach Optimierungsschritten, der Fall, kann die dermaßen kalibrierte Matrix als Bezug dienen, für den Modellzeitraum 2001-2100 in umgekehrter Vorgehensweise aus atmosphärischen Modellinformationen (Globales Zirkulationsmodell ECHAM 4) Rückschlüsse auf hydrologische Extreme regionaler bis lokaler Skala zu ziehen. Neben der Abschätzung von Extremereignissen im Allgemeinen soll besonderes Augenmerk möglichen jahreszeitlichen und räumlichen Wandlungen gelten, sowohl innerhalb als im Vergleich der Regionen Mitteleuropa und nordöstliche USA.

Abbildungen: (extern)
Pegelstationen Mitteleuropa
Pegelstationen USA
Niederschlagsstationen Mitteleuropa
Niederschlagsstationen USA

Kontakt: Dipl. Geogr. Matthias Nonnenmacher