VL Klimasysteme - 22 Mai 2019 Wettersysteme: ihre Bedeutung und Vorhersage Heini Wernli - Gruppe "Atmospheric Dynamics" - ETH Zürich
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VL Klimasysteme – 22 Mai 2019 Wettersysteme: ihre Bedeutung und Vorhersage Heini Wernli Gruppe “Atmospheric Dynamics”
Was sind Wettersysteme?
Zyklone = Tiefdruckgebiet Blocking = Hochdruckgebiet
Front
Föhn
Konvektion, Gewitter
Die Bedeutung von Wettersystemen Sie bestimmen unser tägliches Wetter: Hochdruck im Sommer = sonnig, warm, Gewitter Hochdruck im Winter = kalt, Hochnebel Tiefdruck = Wind/Sturm, Niederschlag Föhn = Stauniederschlag / warm, sonnig, windig Extremereignisse sind mit spezifischen Wettersystemen verbunden Wettersysteme sind sehr variabel (Lebensdauer, Zugbahn) und oft schwer vorhersagbar.
Fallstudie 1: Das 2015/16 Warmereignis in der Arktis 30. Dezember 2015 in Spitzbergen: T = 8.7 degC > Durchschnitts-T im Juli
Fallstudie 1: Das 2015/16 Warmereignis in der Arktis T in Spitzbergen mehr als 12 degC wärmer „als normal“
Wie kommt warme Luft in die Arktis? Rückwärtstrajektorien zeigen Transport von Luft • aus der Sahara in Bodennähe à Transport warmer Luft • aus Kanada mit Abstieg von 500 hPa à adiabatische Erwärmung
Wie kommt warme Luft in die Arktis?
• Starker W-E Druckgradient durch Tief- und Hochdruckgebiete führen zu
Geophysical Research Letters
polwärts gerichtetem Jet
• Verschiedene Luftströmungen erwärmen sich durch unterschiedliche
Prozesse und tragen zum Warmereignis bei
between Iceland and S
the WCB contributed t
Grams et al., 2011 and
Along the western sid
oped (blue contours
poleward low-level jet
the Icelandic lows “L1
Europe (Figures 3a an
located near Newfoun
exceptional storm con
tic situation (see cyclo
below), the initiation o
series of other strong c
tral North Atlantic prio
Illustration von Sandro Bösch (aus Binder et al. 2017)
Figure 4. Schematic illustration of the unusual processes that led to the of cyclones is sometim
Fallstudie 2: Die Juni 2013 Flut (Donau, Elbe) Zyklonenzugbahnen Falschherum aufsteigende „warm conveyor belts“ (WCBs)
Starkniederschlag und Zyklonenzugbahnen GPCC 31 May- 3 June 2013 GPCC 31 May- 3 June 2013 accumulated precipitation (mm) fraction of May precipitation (mm)
Synoptic evolution
12 UTC 31 May 2013
MSG Seviri VIS
WCB precipitation last 24hWarm conveyor belts
Kohärente Luftströmungen die sich in 1-2 Tagen stark polwärts
bewegen, dabei aufsteigen und viel Niederschlag produzieren
Farbe:
Druck (Höhe) der WCB TrajektorienSynoptic evolution
12 UTC 1 June 2013
MSG Seviri VIS
WCB precipitation last 24hSynoptic evolution
12 UTC 2 June 2013
MSG Seviri VIS
WCB precipitation last 24hSynoptic evolution
12 UTC 3 June 2013
MSG Seviri VIS
WCB precipitation last 24hFalschherum aufsteigender WCB
Wie gut sind numerische Wettervorhersagemodelle? Können Sie (starke) Niederschläge richtig vorhersagen? Warum manchmal nicht? Wie gross sind die Unsicherheiten?
Beispiel: Niederschlags-Vorhersage für Mon 20 Mai (15 UTC-24h)
Beobachtungen:
Messstation CHN RadarBeispiel: Niederschlags-Vorhersage für Mon 20 Mai
Vorhersagen für 06-18 UTC:
+30h +78h +150hDie Basis der Wettervorhersage Die Strömungen der Atmosphäre gehorchen physikalischen Gesetzen à analog für Wetter und Klima Diese Gesetze sind bekannt und können mathematisch formuliert werden Das resultierende Gleichungssystem ist (näherungsweise) numerisch lösbar Die Lösung kann schneller berechnet werden als das tatsächliche Wetter fortschreitet
Vilhelm Bjerknes 1904 Wettervorhersage als Anfangswertproblem auf Basis der physikalischen Gleichungen ® Wettervorhersage wird eine physikalische Wissenschaft
Wettervorhersage als Anfangswertproblem
Zeit
Anfangs-
Vorhersage
Bedingung:
physikalische
~108 Gesetze
Freiheitsgrade!
(viele Variablen
auf sehr vielen
Gitterpunkten)Bewegungsgleichung (x-Komponente)
nichtlineare Advektion
ParametrisierungenCharney, Fjortoft, von Neumann 1950
Erste numerische Wettervorhersage auf dem ENIAC
Stark vereinfachte Gleichungen (barotropic vorticity equations)
Rechenzeit 24 Stunden für Vorhersagezeit von 24 Stunden
Erste operationelle
numerische
Wettervorhersage
1954 Schweden
1955 USAEdward Lorenz 1973 Die Atmosphäre als chaotisches System Chaos: Kleine Fehler in den Anfangsbedingungen führen zu grossen Fehlern in den Vorhersagen!
7 Kugeln auf einer
Buckelpiste ...
1mm
... als Illustration für
chaotisches Verhalten:
starke Sensitivität
bezüglich den
Anfangsbedingungen
warm, kalt,
trocken 15m nassEnsemble Vorhersage von COSMO-E des Niederschlags in
der Schweiz am 11 Juni 2014
from: Christina KlasaEnsemble Vorhersage von COSMO-E des Niederschlags in Zürich am 19 und 20 Mai 2019
Atmospheric Dynamics ... Fokus auf Wettersysteme und damit auf Zeiträume von Stunden (Gewitter), Tage (Zyklonen) bis wenige Wochen (Blocking) Grundlage für theoretische Konzept und Vorhersage Detaillierte Untersuchung der physikalischen Gesetze und komplexen Zusammenhänge Natur bietet sehr grosse Vielfalt! (ein Typus von Wettersystem kann auf X Arten entstehen) Vorhersage ist anspruchsvoll wegen Komplexität, Diversität und Nichtlinearität (Chaos)
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