Universität zu Köln

Ulbrich, Sven (2016). Estimation of Convective Extreme Events over Germany based on Large Scale Parameters. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Strong convective events can produce extreme precipitation, hail, lightning or gusts, potentially inducing severe socio-economic impacts. These events have a relatively small spatial extension and, in most cases, a short lifetime. In this study, a model is developed for estimating convective extreme events based on large scale conditions. It is shown that strong convective events can be characterized by a Weibull distribution of radar-based rainfall with a low shape and high scale parameter value. A radius of 90km around a station reporting a convective situation turned out to be suitable. A methodology is developed to estimate the Weibull parameters and thus the occurrence probability of convective events from large scale atmospheric instability and enhanced near-surface humidity, which are usually found on a larger scale than the convective event itself. Here, the probability for the occurrence of extreme convective events is estimated from the KO-index indicating the stability, and relative humidity at 1000hPa. Both variables are computed from ERA-Interim reanalysis. In a first version of the methodology, these two variables are applied to estimate the spatial rainfall distribution and to estimate the occurrence of a convective event. The developed method shows significant skill in estimating the occurrence of convective events as observed at synoptic stations, lightning measurements, and severe weather reports. In order to take frontal influences into account, a scheme for the detection of atmospheric fronts is implemented. While generally higher instability is found in the vicinity of fronts, the skill of this approach is largely unchanged. Additional improvements were achieved by a bias-correction and the use of ERA-Interim precipitation. The resulting estimation method is applied to the ERA-Interim period (1979-2014) to establish a ranking of estimated convective extreme events. Two strong estimated events that reveal a frontal influence are analysed in detail. As a second application, the method is applied to GCM-based decadal predictions in the period 1979-2014, which were initialized every year. It is shown that decadal predictive skill for convective event frequencies over Germany is found for the first 3-4 years after the initialization.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Konvektive Ereignisse können starke sozioökonomische Auswirkungen durch aussergewöhnlichen Niederschlag, Hagel, Blitze oder Böen verursachen und sind somit von besonderem Interesse. Diese Ereignisse haben typischerweise keine große horizontale Ausdehnung, haben meist eine kurze Lebensdauer und sind schwierig vorherzusagen. In dieser Arbeit wird ein Modell zur Abschätzung von konvektiven Ereignissen basierend auf den großskaligen Bedingungen entwickelt. Es wird gezeigt, dass sich konvektive Ereignisse typischerweise in den Weibull-Parametern des Radar-basierten Niederschlags durch einen niedrigen Shape-Parameter und einen hohen Scale-Parameter auszeichnen. Ein Radius von 90km um eine Station, die ein konvektives Ereignis meldet, erwies sich dabei als geeignet. Eine Methode wird entwickelt um die Weibullparameter und damit die Auftrittswahrscheinlichkeit von konvektiven Ereignissen basierend auf einer instabilen atmosphärischen Schichtung und erhöhter bodennaher Luftfeuchte abzuschätzen. Diese beiden atmosphärischen Größen weisen typischerweise größere Muster auf als ein konvektives Ereignis. In der vorliegenden Studie wird die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von konvektiven Extremereignissen basierend auf dem KO-index und der relativen Feuchte auf 1000hPa abgeschätzt. Beide Parameter werden basierend auf ERA-Interim Reanalysen berechnet, und genutzt um zunächst die räumliche Niederschlagsverteilung abzuschätzen. Basierend auf dieser wird das Auftreten eines konvektiven Ereignisses identifiziert. In der Vorhersage von konvektiven Ereignissen, die durch Beobachtungen an Wetterstationen, Blitzmessungen oder Extremwetterbeobachtungen definiert sein können, weist die Methode einen bedeutenden Skill auf. Um einen Einfluss durch Fronten zu berücksichtigen, wurde eine automatisierte Frontanalyse angepasst. Obwohl die Stabilität der Atmosphäre in der Nähe einer Kaltfront geringer ist, bleibt der Skill der entsprechenden Methode nahezu unverändert. Ein zusätzlicher Performancegewinn konnte durch eine Biaskorrektur und Nutzung des ERA-Interim Niederschlags erzielt werden. Die entwickelte Methode wird auf den ERA-Interim Zeitraum (1979-2014) angewandt um ein Ranking der abgeschätzten konvektiven Extremereignisse zu erzeugen. Zwei starke Ereignisse werden detailliert analysiert. Beide weisen einen frontalen Einfluss auf. Als zweites wurde das Verfahren auf GCM-basierte dekadische Vorhersagen für den Zeitraum 1979-2014 angewandt, welche jährlich initialisiert werden. Für konvektive Ereignisse in Deutschland zeigt sich ein dekadischer Vorhersageskill für die ersten 3-4 Jahre nach der Initialisierung. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Ulbrich, Sven ulbrichs@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-70655
Date:	22 October 2016
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute for Geophysics and Meteorology
Subjects:	Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language extreme events English atmospheric stability English convective precipitation English large scale parameters English Germany English thunderstorm English
Date of oral exam:	26 October 2016
Referee:	Name Academic Title Pinto, Joaquim G. PD Dr. Shao, Yaping Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7065