Beschreibung

Motivation

Fast die Hälfte aller tropischen Wirbelstürme in der Nordhemisphäre geraten in den Einflussbereich der mittleren Breiten. Sie durchlaufen dabei strukturelle Änderungen und können sich letztendlich in ein außertropisches Tief umwandeln (Extratropical Transition = ET). Durch synoptisch-skalige Beeinflussung des Strömungsmusters der mittleren Breiten bedrohen solche Systeme nicht nur die Gebiete, in denen sie auf Land treffen, sondern hängen auch mit der Entwicklung von schweren Unwetterereignissen an der Ostseite des Ozeanbeckens, in dem sie entstanden sind, zusammen. Ein Wirbelsturm an der Westseite des Atlantiks, beispielsweise, kann also eine Schlüsselrolle in der Entwicklung von Stürmen und schweren Überschwemmungen in Europa spielen.

Die relativ kleinen Skalen von tropischen Wirbelstürmen und die komplizierten physikalischen Prozesse, die durch die Wechselwirkung eines tropischen Wirbelsturms mit den mittleren Breiten auftreten, stellen schwierige Probleme für die numerische Vorhersage dar. Ein ET-Ereignis kann die Güte der mittelfristigen Vorhersagen stromabwärts von tropischen Zyklonen, und damit für Europa und den Westen Nordamerikas, erheblich reduzieren. Um diese Unsicherheiten zu umfassen läuft der Trend bei Wettervorhersagezentren immer mehr auf Ensemblevorhersage hinaus. Bei dieser Prozedur wird gezielt nach den größten Instabilitäten in der Atmosphäre gesucht und die Auswirkungen eines größtmöglichen Fehlerwachstums berechnet. Dies wird durch die Addition und Subtraktion von kleinen Abweichungen von den Anfangsbedingungen auf die Analyse, die die Anfangsbedingungen für die nächste Vorhersage stellt, bewerkstelligt, von denen aus parallel Vorhersagen gerechnet werden.

Methode und Fallstudien

Die Darstellung von einigen ET-Ereignissen im Ensemblevorhersagesystem (EPS) des ECMWF wird untersucht und Maße für die relative Vorhersagbarkeit von ET-Ereignissen werden bestimmt. Bei Betrachtung eines Spaghettiplots des 500 hPa Geopotentials (Abb. 1 oben) wird deutlich, dass in Zusammenhang mit der ET von Maemi (2003) (schwarzer Punkt) die Ensemblemitglieder weit auseinander laufen, dass also die Vorhersage stromabwärts des ET-Ereignisses sehr unsicher ist. Mit einem Hovmoellerplot der Standardabweichung des 500 hPa Geopotentials in den Ensemblemitgliedern des EPS kann die Unsicherheit quantifiziert werden (Abb. 1 unten). Hier wird deutlich, dass die ET von Maemi ein Gebiet beeinflusst (weiße Linien), welches sich mit zunehmender Vorhersagezeit stromabwärts ausdehnt. Die beiden Maxima in diesem Gebiet (schwarze Striche) hängen mit der ET selber und einem stromabwärtigen Trog zusammen.

Mithilfe einer Analysemethode, die sich aus Hauptkomponentenanalyse kombiniert mit Clustern der Hauptkomponenten zusammensetzt, ergibt sich, dass die Ensemblemitglieder in den Maxima der Variabilität in Gruppen, die unterschiedliche atmosphärische Entwicklungen aufweisen, zusammengefasst werden können (Abb. 2). Mit der Hauptkomponentenanalyse werden die Regionen der stärksten Variabilität im Ensemble bezüglich Intensität und Lage gefunden und der Beitrag eines jeden Ensemblemitgliedes zu diesen Regionen bestimmt. Mittels der Clusterings werden die Ensemblemitglieder zusammengruppiert, die in ähnlicher Weise zu diesen Variabilitätsmustern beitragen.

Abb. 2: 4 ausgewählte Cluster für die EPS Vorhersage vom 10. September 2003 12 UTC gültig für 14. September 00 UTC. Schattiert: Potentielle Temperatur auf der dynamischen Tropopause. Konturen: Bodendruck. Maemi ist durch einen weissen Kreis markiert.