Gatzen, Christoph (2018). Climatology and large-scale Dynamics of Derechos in Germany. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

This thesis introduces a German climatology of wide-spread convective wind events so-called “derechos". In a period of 18 years between 1997 and 2014, 40 derechos have been classified based on wind gust measurements and radar data. Although this leads to a significant lower derecho density compared to large regions in the United States, a high potential threat associated with these storms is indicated. Two seasonal peaks of derecho occurrence and typical large-scale flow patterns were identified. Whereas this is similar to the United States climatology, a contrast is that German derechos form with less instability. This corresponds to the greater importance of low-instability derechos that mostly form in the cold season. Low-instability derechos form in thermodynamic conditions similar to high-shear, low-CAPE environments introduced in the United States. High resolution model analysis of eight events with the COSMO model shows the development of conditional instability very close to derechos. This explains that proximity soundings sometimes do not indicate any CAPE. Furthermore, observations and model simulations of the eight events indicate that instability forms close to the ground. It is hypothesized that the combination of a level of free convection close to the ground and strong low-level flow can favor mesovortices that are associated with the highest winds in derechos. As mesovortices form in weak-instability environments as well as in high-instability environments, it is proposed to keep the term derecho for low-instability events and distinguish between warm-season and cold-season derechos. To investigate processes that cause the development of CAPE close to low-instability derechos, the focus is set on local lapse rate changes. These are analyzed in the model fields using calculations of the local lapse rate tendency equation. According to the findings, local lapse rate increase is not only determined by horizontal lapse rate advection, but to a comparable degree by stretching of low-level air masses. Other processes like differential latent heat release in potential unstable layers that are lifted were not found to be important. Stretching occurred especially downstream of moving PV intrusions. Therefore, the findings of this thesis can contribute to the conceptional understanding of convective initiation close to PV intrusions. An example is the “split-front" concept that is modified since our concept explains why cold-season derechos can form in the absence of well-developed surface fronts.

Item Type: Thesis (PhD thesis)
Translated title:
TitleLanguage
Derechos in Deutschland: Klimatologie und großskalige DynamikGerman
Translated abstract:
AbstractLanguage
Diese Arbeit stellt eine Klimatologie für großflächige Gewitterorkane, sogenannte „Derechos", für Deutschland vor. Mit Hilfe von Böenmeldungen und Radarbildern konnten im 18-jährigen Zeitraum von 1997 bis 2014 insgesamt 40 Derechos klassifiziert werden. Damit wird ein hohes Gefahrenpotential verdeutlicht. Die resultierende Ereignisdichte zeigt, dass Derechos in weiten Teilen der Vereinigten Staaten häufiger auftreten. Beide Klimatologien zeigen zwei jahreszeitliche Häufigkeitsschwerpunkte und vergleichbare Wetterlagen, in denen Derechos auftreten. Im Gegensatz zu diesen Gemeinsamkeiten entstehen Derechos in Deutschland häufiger in Situationen mit geringer Instabilität. Damit verbunden ist auch die im Vergleich zu den Vereinigten Staaten relativ hohe Bedeutung von winterlichen Derechos in Deutschland. In der amerikanischen Literatur wurde für entsprechende Wettersituationen der Begriff „high-shear, low-CAPE environments" eingeführt. Für acht Fallbeispiele zeigt die Analyse hoch aufgelöster COSMO-Simulationen, dass sich erst im direkten Derechoumfeld CAPE bildet, was erklärt, warum in der Nähe aufgestiegene Radiosonden bisweilen keine Instabilität zeigen. Darüber hinaus zeigen Beobachtungen und Modellfelder dieser acht Fälle bereits in tiefen Atmosphärenschichten Labilisierung. Dies könnte in Verbindung mit starker Strömung in Bodennähe die Entwicklung von kleinräumigen Wirbeln, sogenannten „Mesovortices" begünstigen, welche nach bisherigem Kenntnisstand mit den stärksten Windböen in Derechos in Verbindung gebracht werden. Damit ähneln Winterderechos den Sommerderechos, was dafür spricht, auch Winterderechos als solche zu bezeichnen. Um zu untersuchen, durch welche Prozesse es im direkten Derechoumfeld zu CAPE kommt, wurde ein besonderes Augenmerk auf die Entwicklung des vertikalen Temperaturgradienten gelegt. Die lokale Tendenzgleichung des vertikalen Temperaturgradienten wurde für COSMO-Simulationen auf Druckflächen berechnet. Die Ergebnisse legen nahe, dass neben der Advektion des vertikalen Temperaturgradienten durch den Horizontalwind vor allem Streckung bodennaher Luftschichten wesentlich zur lokalen Labilisierung beiträgt. Die Streckung fand dabei vor allem stromab von positiven Anomalien der Potentiellen Vorticity statt. Die präsentierten Ergebnisse ergänzen somit das bisherige konzeptionelle Verständnis, warum im Bereich von positiven PV-Anomalien häufig Gewitter entstehen. So kann beispielsweise im Unterschied zum „Split-Front"-Konzept verstanden werden, warum winterliche Derechos auch ohne ausgeprägte Bodenfronten entstanden. Auch spielte bei Hebung einer potentiell instabilen Luftmasse mit der Höhe abnehmende latente Wärmefreisetzung bei der Labilisierung keine wesentliche Rolle.German
Creators:
CreatorsEmailORCID
Gatzen, Christophgatzen@met.fu-berlin.deUNSPECIFIED
URN: urn:nbn:de:hbz:38-82759
Subjects: Earth sciences
Uncontrolled Keywords:
KeywordsLanguage
Derecho; Germany; Climatology; weak-instability; wind gusts; PV-IntrusionsEnglish
Faculty: Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions: Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Institut für Geophysik und Meteorologie
Language: English
Date: 2018
Date of oral exam: 16 May 2018
Referee:
NameAcademic Title
Pinto, JoaquimProf. Dr.
Shao, YapingProf. Dr.
Fink, AndreasProf. Dr.
Refereed: Yes
URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/8275

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