Sachstandsbericht Teilprojekt B Integrale Radarvolumendeskriptoren

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

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

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

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

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

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

7 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) AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren

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

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

10 Verifikation : Schwelle= 18 dBZ
S(18 dBZ)=2.54 mm/h r2=0.98 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren

11 Verifikation : Schwelle= 18 dBZ
Ohne Experiment 3 und ohne Experiment j S(18 dBZ)=2.01 mm/h r2=0.87 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren

12 Verifikation : Schwelle= 20 dBZ
Ohne Experiment 3 und ohne Experiment j S(20 dBZ)=2.45 mm/h r2=0.90 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren

13 Integrale Radarvolumendeskriptoren
Doneaud et al., 1984: Schwelle Z [dBZ] 20 25 30 Schwelle [mm/h] 0.65 1.33 2.72 S [mm/h] 1.25 3.7 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren

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

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

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

17 Der Erwartungswert (Weibullvertlg.) der Reflektivitäten (18 dBZ)
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18 Die Standardabweichung (Weibullvertlg.) der Reflektivitäten (18 dBZ)
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19 Integrale Radarvolumendeskriptoren
Lage der Zentroide Seien N Punkte xi=(xi,yi) in einer Zelle enthalten, so ist …das Zentrum der Reflektivität mit den Reflektivitäten A(xi) an den Punkten xi=(xi,yi) AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren

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

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

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

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

28 Effizienz Ee (Effective Efficiency)
Qb-Qt Ee= Qb Qb= Sättigungsmischungsverhältnis in 800 m Höhe Qt = Sättigungsmischungsverhältnis bei „echo-top-height“ (Höhe in der die Radarreflektivität unter 12dBZ fällt) evtl. unter der Annahme feuchtadiabatischen Aufstiegs r = Dichte von Wasserdampf bzw. trockener Luft rw mw e Q = = rl ml (p-e) m = Molekulargewichte von Wasserdampf bzw. trockener Luft e = Wasserdampfdruck p-e = Druck der trockenen Luft AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren

29 Effizienz E (Effective Efficiency)
rw mw e Q = = rl ml (p-e) e=es=fkt(T): näherungsweise nach Magnus-Formel T800m= Temperatur in 800m aus Radiosonden- aufstieg (bsp. Idar-Oberstein oder Stuttgart) Teth= Temperatur in eth aus Radiosondenaufstieg oder u. A. feuchtadiabtischen Aufstiegs p800m= Druck aus Radiosondenaufstieg peth= Druck aus Radiosondenaufstieg oder u. A. einer Abnahme von 1mbar/12m AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren

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

31 Entwicklungsstadium des Systems
Wachstumsphase 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 Konvektive Phase Regengebiet dehnt sich aus und somit auch geringere radiale Gradienten, weiterhin hohe Intensitäten, konvektive Z-R Stratiforme Phase Bright band, geschmolzene Schneeflocken erreichen den Boden als weiterverteilten, leichten Regen, stratiforme Z-R-Beziehung, sehr geringe Gradienten Schätzung aus Trends im Brightbandanteil, effective Efficiency, vertikalem Mittel . . . AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren

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

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

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

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

38 Mittleres vertikales Mittel
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39 Mittlere vertikale Standardabweichung
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40 Maximale vertikale Standardabweichung
O AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren

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

42 Karlsruher Radar: Niederschlagssysteme
Untersuchung von 17 Fällen aus den Sommern 2004 / 2005 - Experimente geglättet mit G(x,6) LM-Output Karlsruher Radar Maximale Fläche [103 km] 1033 44.93 Minimale Fläche [103 km] 8 0.735 Maximale Zeit [h] 10.3 3.17 Minimale Zeit [h] 3.2 1 AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren

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

44 Interpolation nach Cressman (1959)
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45 Integrale Radarvolumendeskriptoren
Reflektivitäten [dBZ] Niederschlagsrate [mm/h] AQUARadar-Treffen 8./9. März in Mainz Integrale Radarvolumendeskriptoren

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

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

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