Einleitung und Motivation

Gewitter bzw. starke konvektive Ereignisse stellen aufgrund ihrer Begleiterscheinungen wie Starkregen, Hagel, Sturmböen oder gar Tornados eine Gefährdung nicht nur für das Leben des einzelnen Menschen, sondern auch für das Eigentum und die Wirtschaft dar. Jährlich werden Milliardenbeträge von Versicherungen ausgewiesen, die auf Schäden an Gebäuden, Ackerflächen und Infrastrukturen zurückzuführen sind. Mögliche kurzfristige Schutzmaßnahmen können aufgrund einer zu kurzen Vorlaufzeit bzw. zu ungenauer und unsicherer Prognosen und Warnungen der Wetterdienste häufig nicht adäquat getroffen werden.  Ein detailliertes Echtzeit-Wissen über das lokale und zeitliche Auftreten potentiell schadenrelevanter Gewitter ist daher wünschenswert, bedarf zum heutigen Zeitpunkt jedoch weiterer intensiver Forschung, um die verfügbare Information aus Beobachtungs- und Modelldaten optimal zu verwerten.

Meteorologische Beobachtungsdaten und Now-Casting

Starke konvektive Zellen können in Deutschland mit Hilfe des Radarnetzwerks des Deutschen Wetterdienstes (DWD) flächendeckend und qualitativ sehr gut erfasst werden. Zudem liefern Satellitenbilder sowie ein immer effizienteres Blitzdetektionsnetzwerk weitere Beobachtungsdaten von Gewittern. Parameter, die günstige atmosphärische Umgebungsbedingungen für die Entstehung und Entwicklung starker konvektiver Zellen charakterisieren, werden im operationellen Vorhersagebetrieb der Wetterdienste berechnet; dabei ist die Rolle verschiedenster Parameter sowie deren Kombination als Indikator für zukünftige Gewitterereignisse selbst noch Gegenstand der Forschung, in der bereits viele nützliche Erkenntnisse gewonnen wurden. Die Umgebungsbedingungen können meist schon ein bis drei Tage im Voraus bis zur regionalen Skala gut abgeschätzt werden, während das tatsächliche lokale Auftreten von Gewitterzellen eine sogenannte Nowcasting-Angelegenheit darstellt, d. h. erst instantan bei einer Zellbeobachtung beispielsweise durch ein Radar festgestellt wird und im Anschluss mögliche Entwicklungen der Zellen mit Hilfe komplexer Verfahren berechnet werden.

Viele dieser Nowcasting-Verfahren extrapolieren potentielle Zugbahnen von Gewitterzellen aus den Verlagerungsvektoren der vorangegangenen Zeitschritte (Radarbilder stehen in einem 5-minütigen Intervall zur Verfügung). Mittlerweile gibt es verschiedene Ansätze und Entwicklungen zur Erweiterung dieser Verfahren durch die Integration von Informationen aus mehreren Beobachtungsnetzwerken (Multi-Sensor-Analyse) sowie der Ausnutzung von modellierten Umgebungsbedingungen. Das Ziel dieser Verfahren ist dabei neben einer exakteren Zugbahnprognose auch mögliche Verstärkungs- und Abschwächungstendenzen der Gewitterzellen in Echtzeit zu erkennen.

Projektplan

Das Promotionsvorhaben begibt sich in diese Richtung: Der Lebenszyklus potentiell schadenrelevanter Gewitterzellen (d. h. die Entwicklung einer Zelle von ihrer Entstehung bis zu ihrer Dissipation) soll statistisch analysiert und im Anschluss diese zusätzliche Information in aktuellen Nowcasting-Verfahren des DWD implementiert werden. Das statistische Vorgehen basiert auf Untersuchungen des Lebenszyklus historischer konvektiver Ereignisse, die durch Radare beobachtet wurden, in Verbindung mit den zum jeweiligen Zeitpunkt durch DWD-Modelle vorhergesagten (bzw. analysierten) atmosphärischen Umgebungsbedingungen. Das Ziel ist es, im Echtzeit-Verfahren eine Lebenszyklus-Analyse für jede (von einem Radar) beobachtete und dann von einem Zelldetektions- und -verfolgungsalgorithmus (z. B. KONRAD vom DWD) erkannte Gewitterzelle zu erstellen, d. h. den „Zustand“ einer Zelle zu einem gegebenen Zeitpunkt hinsichtlich ihres Lebenszyklus zu identifizieren. Daraufhin wird diese Analyse genutzt, um unter Berücksichtigung der statistisch ermittelten zeitlichen Entwicklung sowie der beobachteten Lebenszyklus-Historie der Zelle im Nowcasting eine (probabilistische) Entwicklungsprognose zu treffen. Außerdem soll der so bestimmte Zustand zur Assimilation in der Numerischen Wettervorhersage verwendet werden. In diesem beschriebenen Verfahren ist darüber hinaus die Problematik zu berücksichtigen, dass räumlich eng benachbarte konvektive Zellen miteinander interagieren können beziehungsweise Zellen verschmelzen oder sich teilen können, im letzten Fall denke man insbesondere an Superzellen. Unzulänglichkeiten der auf Radardaten basierenden Zelldetektions- und -verfolgungsalgorithmen müssen ebenfalls erkannt und berücksichtigt werden.

Die mathematischen Methoden, die dabei potentiell zur Anwendung kommen werden, reichen von der Hauptkomponentenanalyse (PCA) über multivariate statistische Verfahren (z. B. logistische Regression) bis hin zur inversen Modellierung und Methoden des „Machine Learnings“. Die Lebenszyklus-Analyse wird in Form eines modularen Bausteins konzipiert und programmiert werden, sodass dieser in Entwicklungsumgebungen des DWD auf einfache Weise verwendet werden kann. Ultimativ soll der Baukasten dann nach umfangreichen Verifikationsstudien im operationellen Routinebetrieb des DWD eingesetzt werden und so direkt Einfluss u. a. auf die Wettergefahrenwarnung haben.