Fehlvorhersagen von Hochdruckwetterlagen

Persistente Hochdruckgebiete, auch bekannt als Blocking, führen oftmals zu Hitzewellen im Sommer und Kaltluftausbrüchen im Winter. Dementsprechend sind verlässliche Vorhersagen dieser Wettersysteme aufgrund der weitreichenden sozioökonomischen Auswirkungen von enormer Bedeutung.

Allerdings ist die Vorhersage von persistenten Hochdruckgebieten über Europa immer noch eine große Herausforderung für numerische Wettervorhersage- (NWP) und Klimamodelle. Dies äußert sich in einer Unterschätzung der Blocking-Frequenz oder einer reduzierten Vorhersagegüte im Vergleich zu anderen großräumigen Wetterlagen [1]. Die reduzierte Vorhersagegüte ergibt sich teilweise aus einer geringeren intrinsischen Vorhersagbarkeit [2], könnte aber auch auf eine falsche Darstellung wichtiger physikalischer Prozesse in NWP- und Klimamodellen zurückzuführen sein.

Ein wichtiger Prozess für die Entstehung und das Aufrechterhalten von Blocking ist das Freisetzen von latenter Wärme (LHR) aufgrund von Wolkenbildung [3] innerhalb so genannter warm conveyor belts (WCBs). WCBs sind polwärts strömende Luftmassen, die im Warmluftbereich von Tiefdruckgebieten innerhalb von zwei Tagen von den unteren 2 km der Troposphäre bis in Höhen von 8-12 km aufsteigen. Trotz des großen Einflusses der WCBs auf Blocking, fehlt bisher eine systematische Studie zum Zusammenhang zwischen der WCB-Aktivität und der Vorhersage von Blocking über Europa. Um diesen Zusammenhang zu analysieren, werden neu entwickelte Modelle verwendet [4], um die WCB-Aktivität in einem großen Datensatz (20 Jahre) von Wettervorhersagen aus dem NWP-Modell des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) zu berechnen.

Zu Beginn blockierender Hochdruckwetterlagen über Europa ist die WCB-Aktivität über dem westlichen Teil des sich aufbauenden Blocks stark verstärkt (Abb. 1). Die WCB-Häufigkeiten werden im NWP Modell zu verschiedene Vorhersagezeitpunkten unterschätzt, was darauf hindeutet, dass WCBs eine entscheidende Rolle für die insgesamt niedrige Vorhersagegüte von Blocking über Europa zukommt. Die WCB-Aktivität im Modell ist besser repräsentiert während Blocking Ereignissen, die vom Modell gut vorhergesagt werden (Abb. 2a). Dagegen ist die WCB-Aktivität stark unterschätzt für Blocking Ereignisse mit geringer Vorhersagegüte (Abb. 2b). Weitere Untersuchungen zeigen, dass die WCB-Aktivität vor Entstehung des Blocks vor allem über dem östlichen Nordatlantik und Westeuropa besonders unterschätzt wird [5]. Folglich etabliert das Modell den Block aus einem anderen Zirkulationsmuster heraus zusammen mit hoher WCB-Aktivität über dem zentralen Nordatlantik.

Zusammenfassend unterstreichen unsere Ergebnisse die Bedeutung von Prozessen in aufsteigenden Luftströmen für die Vorhersagbarkeit von blockierenden Hochdruckgebieten über Europa. Insbesondere weisen wir auf die Bedeutung einer Verbesserung der physikalischen Prozesse im WCB über dem Ostatlantik und Europa hin, wo die Vorhersagegüte für WCBs am Geringsten ist [6]. Die Verbesserung der Darstellung von WCBs im Modell ist ein wichtiger Schritt zu besseren Vorhersagen von blockierenden Hochdruckgebieten über Europa.

Literatur:

[1] Büeler, D., Ferranti, L., Magnusson, L., Quinting, J. F., Grams, C. M. (2021). Year-round sub-seasonal forecast skill for Atlantic-European weather regimes. Quarterly Journal of the Royal Atmospheric Society, https://doi.org/10.1002/qj.4178

[2] Hochman, A., Messori, G., Quinting, J. F., Pinto, J. G., & Grams, C. M. (2021). Do Atlantic‐European Weather Regimes Physically Exist?. Geophysical Research Letters, 48(20), https://doi.org/10.1029/2021GL095574

[3] Pfahl, S., Schwierz, C., Croci-Maspoli, M., Grams, C. M., & Wernli, H. (2015). Importance of latent heat release in ascending air streams for atmospheric blocking. Nature Geoscience, 8(8), 610-614, https://doi.org/10.1038/ngeo2487

[4] Quinting, J. F., & Grams, C. M. (2022). EuLerian Identification of ascending AirStreams (ELIAS 2.0) in numerical weather prediction and climate models–Part 1: Development of deep learning model. Geoscientific Model Development, 15(2), 715-730, https://doi.org/10.5194/gmd-15-715-2022

[5] Wandel, J., Quinting, J. F., Büeler, D., Knippertz, P., Grams, C. M. (2022). Why moist dynamic processes matter for the prediction of atmospheric blocking over Europe, in revision

[6] Wandel, J., Quinting, J. F., & Grams, C. M. (2021). Toward a Systematic Evaluation of Warm Conveyor Belts in Numerical Weather Prediction and Climate Models. Part II: Verification of operational reforecasts. Journal of the Atmospheric Sciences, https://doi.org/10.1175/JAS-D-20-0385.1

3.6.2022

Jan Wandel, Arbeitsgruppe: “Großräumige Dynamik und Vorhersagbarkeit” LINK: https://www.imk-tro.kit.edu/english/7425.php