Nutzen und Unsicherheit konvektiver Parameter bei organisierten Gewitterlagen Helge Tuschy DLR-Institut f

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Nutzen und Unsicherheit konvektiver Parameter bei
organisierten Gewitterlagen Helge
TuschyDLR-Institut für Physik der Atmosphäre
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Übersicht
A) Kurze Einführung Gewitterspektrum
B) Übersicht der Parameter
C) Übersichtsseite der öffentlichen und
zugänglichen Quellen
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Fundamentale Zutaten für Gewitter
Hebung - entlang von Frontensystemen
- Topographie
- alternde outflow boundary
- Schwerewellen / Berg - Talwindsystem
Labilität - Atmosphäre labil, sobald Luft
weitersteigt, wenn sie
vertikal ausgelenkt wird
Gründe a) Kaltluftadvektion in der
Höhe b) Feuchteadvektion am Boden
c) Warmluftadvektion in einem
tieferen Niveau ( Achtung cap)
Feuchte - insgesamt sollte die Atmosphäre vor
allem in den unteren Schichten
genügend Feuchte aufweisen
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Teilchentheorie
Teilchen - abgeschlossener Raum (z.B.
Ballon), mit dem man
arbeitet
- betrachten diesen Raum und
die Umgebung getrennt
- Ballon steigt auf und kühlt ab solange die
Raumtemperatur wärmer als Umgebung -gt labil
Visualisierung Sounding, wo diese
Teilchenkurve neben realer Messung
aufgezeichnet wird
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(No Transcript)
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Convective available potential energy (CAPE)
_at_Meteorology 361 Fundamental of
mesoscale forecasting
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(No Transcript)
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Windscherung
- sorgt für die Organisation und Langlebigkeit
der Gewitter
- Trennung von Auf-/und Abwind wird gewährleistet

• - Aufwind wird unterstützt und stärker, im
  Vergleich zu dem, was
• die Labilität alleine hätte bewerkstelligen
  können (z.B.Ventillation)

- rotierende Gewitter können bis weit in die
Nacht sehr aktiv sein, da die dynamischen
Effekte der Rotation die Verminderung der
Labilität wenigstens für eine gewisse Zeit
kompensieren können
- Schwächere Windscherung bedeutet auch
Abschwächung des Aufwindes - Achtung Scherung
und Labilität müssen sich die Waage halten
(-gt shearing apart)
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Gewitterspektrum
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Gewöhnliche Zelle
Ein paar wenige Stichpunkte zur Charakteristik
- Bewegung mit Mittelwind ( Literatur meist 6km
angegeben, aber Achtung auf Jahreszeit! -gt
low topped cells )
- Lebensdauer grob 30-60min
- Pulsierende Gewitter sind möglich, jedoch
schwer von Multizellen zu unterscheiden ( eher
typ. Wärmegewitter)
DIE gewöhnliche Zelle gibt es eher selten, da
Abwind sehr häufig neue Zellen erzeugt.
Parameter - eher geringe/moderate Labilität
- schwache Scherung ( sehr schwach!)
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(No Transcript)
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Multizellengewitter
Ein paar wenige Stichpunkte zur Charakteristik
- alle Lebenszyklen von Gewittern vorhanden
- Entwicklung meist entlang einer bevorzugten
Flanke
- Gefahr von Hagel, starken Windböen und
heftigem Regen
Parameter- Labilität schwach bis mäßig (
Erfahrung sehr variabel)

- Mäßige Scherung ( Erfahrung sehr variabel )
- Starker Hebungsantrieb kann
linienhafte Anordnung unterstützen ( oder
intern durch cold pool-Ausbildung)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Superzelle
Ein paar wenige Stichpunkte zur
Charakteristik
- sehr langlebig ( Aufwind-/Abwind getrennt)
- stärkste Wettererscheinungen mit diesem
Zelltyp
- Gewitter schert nicht selten rechts/links von
Mittelwind aus ( Schweiz scheint Sonderrolle
mit left movers zu besitzen mit nahezu
5050 Aufteilung --gt Topographie! )
Quelle Hailstorms in Switzerland Left Movers,
Right Movers, and False Hooks _at_ R.A. Houze Jr
Arten - classic - high
precipitation - low precipitation
- low topped (mini-supercell) -
false hooked -gt Schweiz
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Superzelle
Parameter - Labilität mäßig bis hoch ( Winter
? starke Scherung?)
- Scherung stark von mind. 20m/s ( nicht Europa!
)
- starke Richtungsscherung des Windes
- Achtung Fronten oder Konvergenzlinien
(Scherung)
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_at_ Bluestein(top)/ SPC(right)
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(No Transcript)
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Parameter
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• Operational and research meteorologists often
• refer to diagnostic variables, such as convective
• available potential energy (CAPE) or the
  supercell
• composite parameter (SCP Thompson et al.
• 2003), as forecast parameters. We contend that
• they are not necessarily forecast parameters
• rather, they constitute a set of diagnostic
• variables.

As diagnostic variables, they can be useful in
assessing quantitatively the state of the
atmosphere at the time of their calculation, but
their capability to inform forecasters about
weather in the future can be quite limited, at
best.
On the Use of Indices and Parameters in
Forecasting Severe Storms ( CHARLES A. DOSWELL
III / DAVID M. SCHULTZ )
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Convective available potential energy
Surface based CAPE (SBCAPE) Berechnung aus
bodennaher Temperatur / Taupunkt ( Achtung
Manchmal Mittelung über unterste 50mb )
Mean layer CAPE oder Mixed layer CAPE (MLCAPE)
Berechnung Temperatur / Taupunkt aus
gemittelter Schicht ( Schichtdicke variabel
50hPa, 100hPa, 1000m ... )
Most unstable CAPE oder Maximum unstable CAPE
(MUCAPE) Berechnung Temperatur / Taupunkt des
Niveaus, welches am meisten Energie zur
Verfügung stellt ( Dicke des Niveaus 300
hPa )
CAPE integriert einen Großteil der
thermodynamischen Information, die in einem
Sounding enthalten ist. CAPE ist proportional zu
Energie, die einem aufsteigenden Teilchen zur
Verfügung steht und bietet eine grobe Abschätzung
der Aufwindstärke Wmax (2CAPE)1/2 (
Achtung water loading, kein entrainment, kein
freezing ... )
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Convective available potential energy
SBCAPE 135 J/kg
MLCAPE 3 5 kJ/kg
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Convective available potential energy
SBCAPE und MLCAPE 7 8 kJ/kg
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Convective available potential energy
SBCAPE mögliche Labilitätsfreisetzung in
untersten Kilometer wird nicht
unterschätzt - teils extreme
Labilitätsunterschätzung bei abgehobener
(elevated) Konvektion
- bei nur seichter Grundschichtfeuchte
entstehen unrealistische CAPE
Werte, die die tatsächliche Energie für
Konvektion nicht wiederspiegeln
MLCAPE repräsentiert die echten
CAPE-Werte realistischer, da Durchmischung im
Eintrömbereich (inflow)
berücksichtig wird geringere
Anfälligkeit auf extreme bodennahe Situationen
(siehe Inversion ...) () In den
Staaten wurde dieser Parameter als der
zuverlässlichste Tornado-
vorhersageparameter in Verbindung mit dem
Kondensationsniveau gesehen -
Gefahr kann ebenfalls abgehobene
Labilitätsfreisetzung unterschätzen
MUCAPE der zuverlässigste Parameter, wenn
es um abgehobene Konvektion geht

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(No Transcript)
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Kurze Gegenüberstellung LLCAPE mid-level CAPE

_at_ http//davieswx.blogspot.com/ (blog von John
Davies)
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(No Transcript)
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Integrated CAPE (ICAPE)
ICAPE CAPE dp/g Also Aufsummierung für alle
Teilchen einer Schicht die CAPE gt 0
aufweist. Als Bsp. Eine 100hPa mächtige
Schicht weist 500 J/kg CAPE auf. Eine nur 50hPa
mächtige Schicht weist Werte von 1000 J/kg
auf. Beide Schichten zusammen haben einen Wert
von 500 kJ/m2 ICAPE. -gt Achtung Experiment!
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Lifted condensation level (LCL)
LCL charakterisiert den Zustand der
Bodenschicht - in den USA liegt der Median für
tornadic thunderstorms bei 800m
(MLCAPE-LCL)
Proximity soundings for severe convection for
Europe and the United States from reanalysis
data _at_ Harold E. Brooks
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Lifted condensation level (LCL)
Stärke Rasch den Zustand der Grenzschicht
erkennen -gt hoher LCL bedeutet stärkere
Niederschlagsabkühlung und somit
Gefahr von starken Gewitterböen
-gt niedriger LCL kann förderlich für
Tornados sein in dementsprechend
gescherten Wetterlagen
Schwächen -gt extreme Schwankungen auf engstem
Raum möglich, da stark abhängig von
der Verteilung der Feuchte in der
Grenzschicht -gt Schwächen
sind eng an CAPE/CIN - Berechnung gekoppelt...es
muss klar sein, wie
das Modell z.B. den LCL berechnet ( gemischte
Schicht (MLCAPE) ist
bis jetzt das Beste
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Convective inhibition
Level of free convection lifted condensation
level
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Convective inhibition
- richtige Menge an CIN ist entscheidend a)
kein CIN verbreitete Auslöse und
isolierte Gewitter unwahrscheinlich b) zu viel
CIN keinerlei Auslöse möglich ( abhängig
von der zu erwartenden Hebung) c) moderate CIN
isolierte Zellen sind möglich, da nur die
stärksten Aufwinde bestehen können
- Was ist kein, zu viel oder moderate CIN ?
---gt abhängig von diversen Faktoren, wie i )
wie stark ist die diabatische Erwärmung ? ii)
findet im Höhenbereich des Deckels
Kaltluftadvektion statt ? iii) gibt es einen
Grund für zusätzliche Feuchte in der bodennahen
Schicht ? (z.B. im Sommer die
Evapotranspiration, also die Verdunstung von
Wasser aus Tier- und Pflanzenwelt, sowie der
Bodenoberfläche )
Achtung Auch wenn Sounding augenscheinlich KEIN
CIN ermittelt muss es nicht zur Auslöse
kommen. Ist Absinken vorhanden ?
Topographie ? Wo sind Konvergenzen im Windfeld?
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Scherung
hochreichende Scherung 0-6km In diesem Fall
30m/s low-level Scherung meist 0-1km In
diesem Fall 18m/s
Proximity soundings for severe convection for
Europe and the United States from reanalysis
data _at_ Harold E. Brooks
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6km / 1km - Scherung
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6km / 1km - Scherung
Stärken i) je höher die 0-6km Scherung, desto
wahrscheinlicher kann sich ein Gewitter
organisieren (Trennung
Aufwind/Abwind) Wenn
Labilität zu gering und Scherung zu extrem kann
es passieren, dass der Aufwind
zu schwach ist, gestreckt wird und u.U.
zerrissen wird. Zudem starkes entrainment.
ii) hohe 0-1km Scherung bedeutet
Möglichkeit von Tornados, jedoch reden wir bisher
nur von Geschwindigkeitssch
erung. Wenn Konvektion in
Umgebung mit hohen 0-1km Scherwerten, dann Gefahr
schwerer konvektiver Böen.
Schwächen i) Unterscheidung zwischen
organisierten Gewitterlage und kurzlebigen
Gewittern möglich,
jedoch nicht ob Hagelsturm, tornadic
thunderstorm oder schwerer
konvektiver Gewittersturm. Kombination mit
weiteren Parametern unbedingt
erforderlich
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Storm relative helicity (SRH-1 / SRH-3)
Richtungsscherung des Windes in untersten 1000m /
3000m 0-3km hohe Werte deuten auf Drehung
des Windes in dem Niveau -gt
rotierenden Aufwinde 0-1km hohe Werte deuten
auf ein erhöhtes Tornadopotential
hin
Schwäche i) extreme Abhängigkeit von
bodennahem Windfeld und
vor allem der Zugbahn des
Gewitters ( z.B. right mover)
ii) es gibt zahlreiche Möglich-
keiten der Berechnung der
Gewitterzugbahn -gt erhöht
die Variabilität
NWS Mississippi
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Storm relative helicity (SRH-1 / SRH-3)
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Equilibrium temperature
Stärke i) sichtbar, ob
Konvektion hochreichend oder
seicht. Schwäche i) stark abhängig von CAPE-
Berechnung ii) tiefe EL-Temperatur muss nicht
viel CAPE bedeuten (z.B. warme Schicht in
mittleren Niveaus)
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Equilibrium temperature
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Lapse rates ( Temperaturabnahme mit der Höhe )
Lapse rates 2-4km hohe Werte i) Anzeichen,
dass viel Labilität
freigesetzt werden kann ii)
in Verbindung mit Scherung
erhöhte Hagelgefahr, da rasch
kühler (u.a. gut für Wachstum
von Hagelkörnern ) niedrige Werte
i) allgemein vermindertes
Risiko für hochreichende,
langlebige Konvektion
ii) Starke Scherung und
etwas Labilität reichen
aber bereits aus
Lapse rates 0-500m interessant vor allem hohe
Werte i) entlang einer Front ( erhöhte
Freisetzung von LLCAPE möglich-gt
Tornadorisiko ) ii) über Wasser -gt erhöhte
Wasserhosengefahr
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Lapse rates ( Temperaturabnahme mit der Höhe )
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Significant tornado parameterSupercell composite
parameter
STP (sbCAPE/1500 J kg-1) ((2000-sbLCL)/1500
m) (SRH1/100 m2 s-2) (6BWD/20 m
s-1) ((200sbCIN)/150 J kg-1) BWD 0-6km bulk
wind difference ( bulk shear) Einschränkungen
SCP (muCAPE / 1000 J kg-1) (ESRH / 50 m2 s-2)
(EBWD / 20 m s-1) ESRH effective storm
relative helicity EBWD effective bulk wind
difference Werden positive Werte berücksichtigt
right mover Werden negative Werte
berücksichtigt left mover ( ParameterLSCP )
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(No Transcript)
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K-index
K-index ( T850 - T500 ) TD850 - ( T700 -
TD700 )
Temperaturabnahme und Grundschichtfeuchte werden
hier betrachtet Achtung Wenn sehr trockene
Schichten in 700hPa oder 850hPa,
dann kann der Wert verfälscht
werden
15-25 Small convective
potential 26-39 Moderate convective
potential 40 High convective
potential
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Thompson Index
Thompson index K-index Li (500hPa)
K-index T850 Td850 - (T700 - Td700) -T500
Feuchte in 700hPa interessant da Hebung nicht
selten vorhanden ist (z.B. Front) Feuchte in
850hPa und 700hPa zeigen an, ob Atmosphäre
überhaupt genug Wasserdampf besitzt für
langlebige Konvektion Temperatur in 500hPa soll
die Abkühlung mit der Höhe mit einbinden ( lapse
rates ) -gt ein guter Indikator für
Wahrscheinlichkeit von Konvektion, aber unbedingt
andere Parameter mit anschauen.
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Thompson Index
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Diverse Indizes
Showalter index T500 Tparcel -gt 850hPa
Lifted index T500 Tparcel -gt surface
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Severe Weather ThrEAT index (SWEAT)
SWEAT(12 Td 850 ) (20 TT-49) ( 2 f 850)
f 500 (125 s0.2) where Td 850 ist
der Taupunkt im 850hPa Niveau, TT ist der
total-totals index, f 850 ist die
Windgeschwindigkeit (kt) in 850-mb , f 500
ist die Windgeschwindigkeit (kt) in 500-mb , und
s ist der Sinus des Winkels zwischen der
Windrichtung in 500hPa und 850hPa (
repräsentiert die Richtungsscherung in dieser
Schicht ) weitere Einschränkungen
Total-totals index (T850- T500) (Td850 - T500)
150-300 Slight severe 300-400 Severe
possible 400 Tornadic possible
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Severe Weather ThrEAT index (SWEAT)
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Energy helicity / Deep Convective/KO/Craven
Significant Severe Weather Index - index
EHI (CAPE SRH) / 160'000
DCI T850 Td850 surface lifted index
KO-Index 0.5 (ThetaE700 ThetaE500) - 0.5
(ThetaE1000 ThetaE850)
Craven Significant Severe Weather Index Craven
SigSvr CAPE 0-6km Windscherung m3/s3
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(No Transcript)
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Nützliche Links im Internet für die Schweiz
- http//www.lightningwizard.com/maps/ (
wichtigste Indizes / ModellGFS) -
http//www.superzelle.de/maps.htm ( hoch
aufgelöstet WRF Modell ) - http//www.meteocenter
.eu/ ( ebenfalls WRF mit diversen
Ausschnitten) - http//www.lamma.rete.toscana.it/
wrf-web/index_en.html (LaMMa mit WRF ) -
http//www.meteogiornale.it/mappe/index.php
(MeteoGiornale MM5) - http//profi.wetteronline.d
e/ - http//www.arl.noaa.gov/READYcmet.php (
Vorhersagesounding GFS)
54
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !