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AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Sachstandsbericht Teilprojekt B Integrale Radarvolumendeskriptoren Silke Trömel,

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1 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Sachstandsbericht Teilprojekt B Integrale Radarvolumendeskriptoren Silke Trömel, Clemens Simmer

2 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Gliederung Kurzer Rückblick: Ausgangspunkt Doneaud et al. (1984) Verifikation Doneauds Theorie mit Modelldaten Weitere (3D)-Deskriptoren Übergang zu Beobachtungsdaten: Karlsruher Radar / Niederschlagsmessungen Möglichkeiten eines Modells Zusammenfassung

3 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Doneaud et al., 1984: Der Volumenniederschlag eines einzelnen Niederschlagssystems in North Dakota kann mit überraschender Genauigkeit angegeben werden, indem lediglich das so genannte Raum-Zeit-Integral (ATI) über das Gebiet mit Reflektivitäten oberhalb einer bestimmten Schwelle über die Lebenszeit des Systems bestimmt wird.

4 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Die Theorie Atlas et al., 1990: Liefern eine Theorie für die Schätzung 1.…des totalen Niederschlags eines einzelnen konvektiven einzigen Regengebiets/-systems über seine Lebenszeit sowie 2.…des flächenweiten instantanen Niederschlags von einer Vielzahl von Systemen durch Messung der Fläche mit Reflektivitäten oder äquivalenten Niederschlagsintensitäten oberhalb einer bestimmten Schwelle.

5 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Die Theorie …beruht auf der Existenz einer gutartigen, relativ konstanten Wahrscheinlich- keitsdichtefunktion (PDF) der Regenintensitäten entweder von 1. …einem einzigen Regengebiet/-system über seine Lebenszeit 2. …oder einer Vielzahl von Systemen zu einem Zeitpunkt

6 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren LM-Daten vom R [mm/h]

7 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren LM-Output: Niederschlagssysteme Untersuchung von 25 Fällen Selektion gemäß SARTrE Algorithmus (Jürgen Lorenz Simon, 2004) - Experimente 1,..,5 geglättet mit G(x,14) - Experimente a,b,c..,t geglättet mit G(x,10)

8 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Die Theorie Atlas et al., 1990: Liefern eine Theorie für die Schätzung 1.…des totalen Niederschlags eines einzelnen konvektiven einzigen Regengebiets/-systems über seine Lebenszeit sowie 2.…des flächenweiten instantanen Niederschlags von einer Vielzahl von Systemen durch Messung der Fläche mit Reflektivitäten oder äquivalenten Niederschlagsintensitäten oberhalb einer bestimmten Schwelle.

9 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Verifikation Übertragbarkeit der klimatologischen auf die lokale PDF, bzw. der relativen Konstanz des Faktors S( ). (Besteht Konstanz des mittleren Faktors von S( ) von Regime zu Regime, d.h. kann beispielsweise S(25 dBZ)=3.7mm/h über- nommen werden?) Oder: Sind die Schwankungen um die Regressionsgerade bzw. die Variationen der PDF von einem Niederschlagssystem zum anderen klein genug ?

10 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Verifikation : Schwelle= 18 dBZ S(18 dBZ)=2.54 mm/h r 2 =0.98

11 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Verifikation : Schwelle= 18 dBZ Ohne Experiment 3 und ohne Experiment j S(18 dBZ)=2.01 mm/h r 2 =0.87

12 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Verifikation : Schwelle= 20 dBZ Ohne Experiment 3 und ohne Experiment j S(20 dBZ)=2.45 mm/h r 2 =0.90

13 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Doneaud et al., 1984: Schwelle Z [dBZ] Schwelle [mm/h] S [mm/h]

14 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Betrachtete Deskriptoren 2. Standardabweichung der eingeschlossenen Reflektivitäten ( Orographie ) Effective Efficiency Brightbandanteil Fläche Zeit ( Entwicklungsstadium des Systems) Horizontale Reflektivitätsfeld 1. Erwartungswert der eingeschlossenen Reflektivitäten

15 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren … weitere Deskriptoren Vertikale Reflektivitätsfeld (anhand vert. Schnitt bis eth und 0.1km Auflösung) 1.Zeitlich gemitteltes vertikales Mittel 2. Zeitliche gemittelte vertikale Standardabweichung 3. Vertikales Maximum im getrackten Zeitraum

16 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Betrachtete Deskriptoren Horizontale Reflektivitätsfeld Fläche Zeit

17 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Der Erwartungswert (Weibullvertlg.) der Reflektivitäten (18 dBZ)

18 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Die Standardabweichung (Weibullvertlg.) der Reflektivitäten (18 dBZ) r 2 =0.96

19 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Lage der Zentroide Seien N Punkte x i =(x i,y i ) in einer Zelle enthalten, so ist …das Zentrum der Reflektivität mit den Reflektivitäten A(x i ) an den Punkten x i =(x i,y i )

20 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Die Standardabweichung (Weibullvertlg.) der Reflektivitäten (18 dBZ) Exp.: J ( H=2.2km) Exp.: 5 ( H=2.57km) Exp.: 3 ( H=1.86km) Exp.: I ( H=2.3km)

21 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Höhenprofil am Zentrum der Reflektivität Experiment I

22 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Orographie (Absolute maximale Höhendifferenz im Profil)

23 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Orographie (Absolute maximale Höhendifferenz im Profil) X X X X X

24 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Brightbandanteil Vertikalschnitts am jeweiligen Zentrum der Reflektivität Schätzung der Höhe der Nullgradschicht aus Radiosonden- aufstiegen (linear interpoliert) Aktuelle Defintion: Anteil der maximalen Reflektivitäten des Vertikalprofils ± 1 km im Bereich ± 1 km der 0 o C-Schicht (Anhand vert. Schnitt in 0.1 km Auflösung) Berechnung des

25 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Radiosondenstationen

26 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Mittlerer Brightbandanteil

27 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Effizienz E e (Effective Efficiency) Q b -Q t E e = Q b Q = Mischungsverhältnis am Unter- (bottom) bzw. Oberrand (top) der Wolke Rosenfeld et al. (1990) E e 0.5 entspricht rel. flacher Konvektion E e 1 entspricht rel. hochreichender Konvektion Anteil an Wasserdampf, der durch die Wolkenbasis transportiert wird und somit potentiell für Niederschlag zur Verfügung steht. parametrisiert Entrainment, Mischung und Verdunstung

28 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Effizienz E e (Effective Efficiency) Q b = Sättigungsmischungsverhältnis in 800 m Höhe Q t = Sättigungsmischungsverhältnis bei echo-top-height (Höhe in der die Radarreflektivität unter 12dBZ fällt) evtl. unter der Annahme feuchtadiabatischen Aufstiegs Q b -Q t E e = Q b w m w e Q = ---- = l m l (p-e) = Dichte von Wasserdampf bzw. trockener Luft m = Molekulargewichte von Wasserdampf bzw. trockener Luft e = Wasserdampfdruck p-e = Druck der trockenen Luft

29 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Effizienz E (Effective Efficiency) e=e s =fkt(T): näherungsweise nach Magnus-Formel w m w e Q = ---- = l m l (p-e) T 800m = Temperatur in 800m aus Radiosonden- aufstieg (bsp. Idar-Oberstein oder Stuttgart) T eth = Temperatur in eth aus Radiosondenaufstieg oder u. A. feuchtadiabtischen Aufstiegs p 800m = Druck aus Radiosondenaufstieg p eth = Druck aus Radiosondenaufstieg oder u. A. einer Abnahme von 1mbar/12m

30 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Effektive Effizienz

31 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Entwicklungsstadium des Systems Schätzung aus Trends im Brightbandanteil, effective Efficiency, vertikalem Mittel... Wachstumsphase Konvektive Phase Stratiforme Phase Erste Tropfen, meist groß und weit verteilt, mit großem Z und überschätzten R bei konstanter Z-R-Beziehung. Maximale Regenintensitäten gegen Ende der Wachstumsphase mit konvektiver Z-R-Beziehung Regengebiet dehnt sich aus und somit auch geringere radiale Gradienten, weiterhin hohe Intensitäten, konvektive Z-R Bright band, geschmolzene Schneeflocken erreichen den Boden als weiterverteilten, leichten Regen, stratiforme Z-R-Beziehung, sehr geringe Gradienten

32 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Experiment Q

33 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Experiment Q Zeitlicher Verlauf des Vertikalschnitts [dBZ] Höhe [km] Geschätzte Höhe der 0 o C-Schicht (Radiosonde Stuttgart): 2238 m

34 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Verlauf von Experiment Q

35 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Experiment C

36 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Verlauf von Experiment C

37 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren … weitere Deskriptoren Vertikale Reflektivitätsfeld (anhand vert. Schnitt bis eth und 0.1km Auflösung) 1.Zeitlich gemitteltes vertikales Mittel 2. Zeitliche gemittelte vertikale Standardabweichung 3. Vertikales Maximum im getrackten Zeitraum

38 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Mittleres vertikales Mittel

39 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Mittlere vertikale Standardabweichung

40 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Maximale vertikale Standardabweichung O O O O O

41 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Modifiziertes Regressionsmodell Hor. Stdev. (Weib) Hor. Erw. (Weib)Efficiency Mittlerer BrightbandanteilVert. maximale Stdev Orographie + Entwicklungsphase

42 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Karlsruher Radar: Niederschlagssysteme Untersuchung von 17 Fällen aus den Sommern 2004 / Experimente geglättet mit G(x,6) LM-OutputKarlsruher Radar Maximale Fläche [10 3 km] Minimale Fläche [10 3 km] Maximale Zeit [h] Minimale Zeit [h]3.21

43 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Niederschlagsstationen Anzahl LfU: 154 Stationen Anzahl DWD: 96 Stationen

44 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Interpolation nach Cressman (1959)

45 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Reflektivitäten [dBZ]Niederschlagsrate [mm/h]

46 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Zusammenfassung LM: 1. Erfolgversprechende Deskriptoren sind bislang : Erwartungswert aller horizonalen Reflektivitäten im Zeitintervall Standardabweichung aller horizonalen Reflektivitäten im Zeitintervall Mittlere Brightbandanteil Mittlere effektive Effizienz Maximale vertikale Standardabweichung Fläche Zeit, Andauer

47 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Zusammenfassung 2. Diese Einflüsse könnten in ein modifiziertes Regressionsmodell Eingebracht werden, welches Heteroskedazität mancher Einflüsse einerseits und auch die unterschiedlichen Fehler unterschiedlicher Einflüsse andererseits berücksichtigt 3. Ein Deskriptor zur Beschreibung der Entwicklungsphase oder die Aufstellung verschiedener Modelle für verschiedene Entwicklungsphasen ist evtl. sinnvoll 4. Potentielle starke orographische Effekte sollten zunächst ausgeschlossen werden Karlsruher Radar / Niederschlagsbeobachtungen: Das interpolierte Niederschlagsfeld ist bislang leider noch unzureichend

48 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren Vielen Dank !


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