Überblick

Im Rahmen des Projektes wird der Zusammenhang zwischen orografisch modifizierter Strömung und Niederschlagsänderungen über typischen Mittelgebirgsregionen bei stabiler atmosphärischer Schichtung untersucht. Methodisch werden verschiedenen Beobachtungsdaten analysiert und Modellsimulationen sowohl mit linearen Niederschlagsmodellen als auch mit dem Wettervorhersagemodell COSMO des Deutschen Wetterdienstes (DWD) durchgeführt. Ziel der Arbeiten ist es, zu einem verbesserten Verständnis der relevanten Prozesse vor allem bei Starkniederschlagsereignissen, die Hochwasser oder Hangrutschungen auslösen können, zu gelangen.

Beobachtungen des orografischen Niederschlags

Über verschiedenen Mittelgebirgen Deutschlands mit einer typischen Geländehöhe zwischen 500 und 1000 m wurde die Zunahme des orografischen Niederschlags während überwiegend stratiformer Ereignisse analysiert. Wichtiger Parameter ist neben der Feuchtigkeit die Froude-Zahl, die gemäß der linearen Theorie im dreidimensionalen (3D) Fall über das Regime des Über- oder Umströmens entscheidet, und damit auch die Magnitude der orografisch induzierten Vertikalgeschwindigkeiten bestimmt. Über mehreren Gebirgen konnte ein Zusammenhang zwischen Niederschlagsänderungen und einem Sensitivitätsparameter als Funktion von Froude-Zahl und horizontalem Wasserdampffluss hergestellt werden (Steller, 2004; Kunz und Wassermann, 2011).

Verhältnis von 24-h Niederschlagssummen R zwischen Berg- und Talstation als Funktion der Niederschlagssensitivität, die das Produkt von Froude Zahl und horizontal einströmendem Wasserdampffluss ist (nach Kunz und Wassermann, 2011).

Lineare Niederschlagstheorie

Lineare Niederschlagsmodelle erlauben es, den simulierten Niederschlag auf einige wenige meteorologische Variablen und Modellparameter zurückzuführen und sind damit ein wertvolles Tool  für die Interpretation räumlicher Niederschlagsmuster über komplexer Topografie. Diese Modelle basieren auf der 3D Strömungsdynamik nach der linearen Theorie (Smith, 1989) und berücksichtigen mikrophysikalische Prozesse durch stark vereinfachte Parametrisierungen.

Sensitivitätsanalysen mit zwei verschiedenen Niederschlagsmodellen (Smith und Barstadt, 2004; Kunz und Kottmeier, 2006) für idealisierte und reale Bedingungen zeigen, dass die Magnitude und räumliche Verteilung des Niederschlag durch charakteristische Zeitskalen für die Advektion von Wolken und Hydrometeoren sowie durch synoptisch-skalige Hebungsvorgänge kontrolliert wird. Interessanterweise sind diese Modellparameter für stratiforme Niederschlagsereignisse relativ konstant und unabhängig von den Umgebungsbedingungen. Dies konnte anhand von Modellsimulationen einer Vielzahl von Starkniederschlagsereignissen (124 Ereignisse zwischen 1971 und 2000) über Südwestdeutschland mit den Mittelgebirgen Vogesen (Frankreich), Schwarzwald und Schwäbischer Alb gezeigt werden. Insgesamt geben die Ergebnisse der linearen Modelle im Mittel sehr gut die Beobachtungen wieder und weisen einen ähnlich hohen Skill auf wie Klimasimulationen mit dem Consortium for Small-scale Modeling (COSMO) Modell, angetrieben mit ECWMF ERA-40 Reanalysen.

Modellfehler gegenüber Beobachtungen (ERR = fkt[bias, rmse]) als Funktion der charakteristischen Zeitskalen und des Hintergrundniederschlags aufgrund großräumiger Hebung für eine Vielzahl stratiformer Niederschlagsereignisse zwischen 1971 und 2000 (a). Mittlere Niederschlagssummen nach Beobachtungen (b) und den linearen Niederschlagsmodellen nach Smith und Barstad (2004; c) und Kunz und Kottmeier (2006; d). Abbildung nach Kunz (2011).

Strömungsdynamik und Sensitivität des orografischen Niederschlags

Um den Zusammenhang zwischen Umgebungsbedingungen, Strömungscharakteristika und räumlichen Mustern des orografischen Niederschlags näher zu untersuchen, wurden eine Vielzahl idealisierter Simulationen mit dem nicht-hydrostatischen Wettervorhersagemodell COSMO in einer 3D Konfiguration durchgeführt. Durch die verwendeten Umgebungsparameter (Windgeschwindigkeit, Stabilität, Temperatur und relative Feuchte) werden verschiedene Strömungsregime von bedingt instabiler bis zu stagnierender Strömung berücksichtigt. Die Simulationen zeigen, dass latente Wärmeübergänge den Beginn der Stagnation der Strömung verzögern, was mittels des Konzepts der feuchten Instabilität nachvollzogen werden kann. Aufgrund der vertikalen Variation der Sättigungsbereiche kann dieses jedoch nicht für die Beschreibung von Schwerewellen herangezogen werden.
Sowohl das Trocknungsverhältnis (Verhältnis von Niederschlags zu Wasserdampffluss) als auch die Position der Niederschlagsmaxima lassen sich durch die gesättigte dimensionslose Berghöhe M (M = N H / U mit N als Brunt-Väisälä Frequenz, U als Anströmgeschwindigkeit, H als charakteristische Berghöhe) beschreiben. Im Stagnationsbereich werden die Niederschlagsmaxima durch die ausgedehnte Schwerewelle stromab bestimmt. Mit zunehmender direkter Überströmung verlagern sich die Maxima stromauf des Gipfels. Der gefundene Zusammenhang zwischen Niederschlagscharakteristika und M belegt, dass die Größen N und U mit der gleichen Magnitude, aber in umgekehrte Richtung skalieren.

Regimediagramm für gesättigte Strömungen: Trocknungsverhältnis DR (oberer Teil des Diagramms) und Verhältnis zwischen Luv- und Leeniederschlag (unterer Teil) nach verschiedenen COSMO Simulationen bei -3°C (T-3) und 10°C (T10) für variierende Stabilität (T-3N, T10N) und Anströmgeschwindigkeit (T-3U, T10U) als Funktion der gesättigten dimensionslosen Berghöhe M (Kunz und Wassermann, 2011).

Publikationen

Kunz, M., 2011: Characteristics of Large-scale Orographic Precipitation in a Linear Perspective. J. Hydrometeor., 12, 27-44, DOI: 10.1175/2010JHM1231.1

Kunz, M., und S. Wassermann, 2011: Moist dynamics and sensitivity of orographic precipitation to changing ambient conditions in an idealised perspective. Meteor. Z., 20, 199-215, DOI: 10.1127/0941-2948/2011/0221

Kunz, M., und Ch. Kottmeier, 2006a: Orographic enhancement of precipitation over low mountain ranges, Part I: Model formulation. J. Appl. Meteor. Climatol., 1, 1025-1040.

Kunz, M., und Ch. Kottmeier, 2006b: Orographic enhancement of precipitation over low mountain ranges, Part II: Simulations of heavy precipitation events. J. Appl. Meteor. Climatol., 1, 1041-1055.

Steller, H., 2004: Analyse und Simulation des orografisch bedingten Niederschlags über Mittelgebirgen. Diplomarbeit, Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-TRO), KIT, 78 S.