Analyse der vertikalen PV-Struktur extratropischer Zyklonen - CCES
Analyse der vertikalen PV-Struktur extratropischer Zyklonen - CCES
Analyse der vertikalen PV-Struktur extratropischer Zyklonen - CCES
Erfolgreiche ePaper selbst erstellen
Machen Sie aus Ihren PDF Publikationen ein blätterbares Flipbook mit unserer einzigartigen Google optimierten e-Paper Software.
<strong>Analyse</strong> <strong>der</strong> <strong>vertikalen</strong> <strong>PV</strong>-<strong>Struktur</strong><br />
<strong>extratropischer</strong> <strong>Zyklonen</strong><br />
Bachelorarbeit am<br />
Institut für Atmosphäre und Klima <strong>der</strong> ETH Zürich<br />
Natalie Fischer<br />
Betreuer: Prof. Dr. Heini Wernli<br />
Juni 2013
Die Abbildung auf <strong>der</strong> Titelseite aus Wernli et al. (2002) zeigt die 2 <strong>PV</strong>U Isofläche des<br />
Wintersturms Lothar am 26. Dezember um 06 UTC. Die Fläche ist mit den Werten <strong>der</strong><br />
potentiellen Temperatur koloriert.
Zusammenfassung<br />
Extratropische <strong>Zyklonen</strong> haben einen grossen Einfluss auf das Wetter und Klima in den<br />
mittleren Breiten. Intensive extratropische <strong>Zyklonen</strong> können im Zusammenhang mit ihren<br />
starken Winden und intensiven Nie<strong>der</strong>schlägen Schäden in Milliardenhöhe verursachen<br />
und viele Menschenleben for<strong>der</strong>n.<br />
Die Entwicklung einer Zyklone kann mithilfe <strong>der</strong> Verän<strong>der</strong>ung des <strong>vertikalen</strong> Profils <strong>der</strong><br />
potentiellen Vorticity (<strong>PV</strong>) untersucht werden. Aufgrund <strong>der</strong> Stärke und Anordnung <strong>der</strong><br />
<strong>PV</strong>-Anomalien kann auf die Intensität des Sturmes geschlossen werden.<br />
Nehmen die <strong>PV</strong>-Werte in einer <strong>vertikalen</strong> Säule durch die Troposphäre durchgehend anomal<br />
hohe Werte ein (> 1 <strong>PV</strong>U), spricht man von einem ’<strong>PV</strong> tower’. Die <strong>Struktur</strong> dieses<br />
’Turmes’ setzt sich aus 3 unterschiedlichen Anomalien zusammen: eine stratosphärische<br />
Intrusion, eine in <strong>der</strong> unteren Troposphäre diabatisch gebildeten <strong>PV</strong>-Anomalie und eine<br />
warme Oberflächenanomalie <strong>der</strong> potentiellen Temperatur Θ, die einer positiven <strong>PV</strong><br />
Anomalie entspricht.<br />
Diese Arbeit analysiert und vergleicht die <strong>PV</strong>-Profile fünf unterschiedlicher <strong>extratropischer</strong><br />
<strong>Zyklonen</strong>. Die für die <strong>Analyse</strong> dieser Arbeit gewählten Stürme, Daria (1990),<br />
Lothar (1999), Quimburga (2004), Kyrill (2007) und Xynthia (2010), zeigten alle starke<br />
Intensivierungen auf und verursachten zahlreiche Schäden in Europa. Als Datengrundlage<br />
dienten ERA-Interim Daten des ECMWF, die 6-stündlich mit einer horizontalen<br />
Auflösung von 1° × 1° vorliegen. Die <strong>PV</strong>-Profile wurden in einem Umkreis mit einem<br />
Radius von 200 km um das <strong>Zyklonen</strong>zentrum berechnet. Dies jeweils in einem Zeitraum<br />
von 24 Stunden mit 6-stündlichen Zeitschritten.<br />
Die vertikale <strong>PV</strong>-<strong>Struktur</strong> ist bei allen fünf Stürmen vergleichbar; es zeigt sich eine Zunahme<br />
<strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Werte durchgehend durch die ganze Troposphäre und eine Senkung <strong>der</strong><br />
Tropopause. Die Ausprägung und vertikale Anordnung <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Anomalien ist ausschlaggebend<br />
für die Intensität <strong>der</strong> Stürme. Beson<strong>der</strong>s wichtig sind die diabatischen Prozesse<br />
in <strong>der</strong> unteren Troposphäre, welche die tiefen <strong>PV</strong>-Anomalien erzeugen. Es zeigte sich<br />
in allen fünf Stürmen eine ausgeprägte <strong>PV</strong>-Anomalie in <strong>der</strong> unteren Troposphäre mit<br />
einem Maxiumum von ca. 1.8 <strong>PV</strong>U, welche die Wichtigkeit <strong>der</strong> diabatischen Prozesse in<br />
intensiven Stürmen mit rapiden Intensivierungen bestätigt.<br />
Um die Aussagekraft <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Profile zu untersuchen, wurden ausgewählte Profile und<br />
ganze Profilentwicklungen mit Abbildungen aus dem IWAL und mit früheren Studien<br />
(für die Stürme Lothar und Kyrill) verglichen. Obwohl es viele Parallelen in den Resultaten<br />
gab, zeigte sich, dass es durch den Gebrauch von verschiedenen Daten und Methoden<br />
schnell zu unterschiedlichen Resultaten kommen kann.<br />
i
Abstract<br />
Extratropical cyclones exert a strong influence on the weather and climate of middle<br />
and hight-latitude regions. They can have large socioeconomic impacts associated with<br />
their strong wind and heavy precipitation events.<br />
The development of a cyclone can be analysed with a so called ’<strong>PV</strong>-tower analysis’. The<br />
intensity of a storm can be discussed by looking at the change of the <strong>PV</strong> values. If the<br />
<strong>PV</strong> values are higher than 1 <strong>PV</strong>U throughout the whole troposphere, the structure is<br />
referred to as a <strong>PV</strong> tower. The <strong>PV</strong> tower consists of three distinct positive <strong>PV</strong> anomalies:<br />
An upper-level stratospheric intrusion, a low-tropospheric diabatically produced <strong>PV</strong><br />
anomaly and a warm surface anomaly of potential temperature Θ that corresponds to a<br />
positive <strong>PV</strong> anomaly.<br />
This bachelor thesis analysed the <strong>PV</strong> profile of five different winterstorms and compared<br />
them with each other. The five cyclone cases selected, Daria (1990), Lothar (1999),<br />
Quimburga (2004), Kyrill (2007) and Xynthia (2010), all showed strong intensification<br />
and led to severe damage in Europe. This thesis is based on the ECMWF ERA-Interim<br />
dataset, that are available every six hours with a horizontal resolution of 1° × 1° on<br />
several vertical levels.<br />
The vertical <strong>PV</strong> structures of the storms were similar: they showed a increase of the <strong>PV</strong><br />
value throughout the whole troposphere and a lowering of the dynamical tropopause.<br />
The strenght and the location of the <strong>PV</strong> anomalies determines the intensification of the<br />
storms. Essential for the production of low-level <strong>PV</strong> anomalies are the diabatic processes.<br />
All five storms showed a pronounced low-tropospheric <strong>PV</strong> anomaly of approximately 1.8<br />
<strong>PV</strong>U; this confirmed the importance of diabatic processes for rapid storm intensifications.<br />
Further, the results of the <strong>PV</strong> tower analysis were compared with figures from the IWAL<br />
and earlier studies from the literature on the storms Lothar and Kyrill. Although there<br />
were many similarities in the results, it was found that by the use of different data and<br />
methods the results can vary.<br />
iii
Inhaltsverzeichnis<br />
Zusammenfassung<br />
Abstract<br />
i<br />
iii<br />
1. Einleitung 1<br />
1.1. Wahl <strong>der</strong> Stürme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1<br />
1.2. Motivation, Fragestellung und Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3<br />
2. Theoretische Grundlagen 5<br />
2.1. Extratropische <strong>Zyklonen</strong> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5<br />
2.1.1. Zugbahn einer Zyklone (Sturmtrack) . . . . . . . . . . . . . . . . 7<br />
2.2. Potentielle Vorticity (<strong>PV</strong>) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7<br />
2.2.1. <strong>PV</strong>-Anomalie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8<br />
2.2.2. <strong>PV</strong>-Tower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8<br />
3. Daten und Methoden 11<br />
3.1. Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11<br />
3.2. Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11<br />
3.3. IWAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12<br />
4. Resultate und Diskussion 13<br />
4.1. Druckentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13<br />
4.2. <strong>Analyse</strong> <strong>der</strong> <strong>vertikalen</strong> <strong>PV</strong>-Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15<br />
4.3. Vergleich mit Grafiken aus dem IWAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23<br />
4.4. Vergleich mit früheren Studien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26<br />
4.4.1. Lothar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26<br />
4.4.2. Kyrill . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27<br />
4.5. Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29<br />
A. <strong>PV</strong>-Profile mit 3 Zeitschritten für den Vergleich 33<br />
B. Kyrill I und II in den IWAL Grafiken 34<br />
C. Tracking des Sturms Kyrill 35<br />
Literatur 37<br />
v
Abbildungsverzeichnis<br />
2.1. Norwegisches <strong>Zyklonen</strong>modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6<br />
2.2. Sturmtracks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7<br />
3.1. Beispielsbild IWAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12<br />
4.1. Druckentwicklung Kyrill . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13<br />
4.2. Druckentwicklung <strong>der</strong> untersuchten Stürme . . . . . . . . . . . . . . . . . 14<br />
4.3. <strong>PV</strong>-Profil Daria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16<br />
4.4. <strong>PV</strong>-Profil Lothar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17<br />
4.5. <strong>PV</strong>-Profil Quimburga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18<br />
4.6. <strong>PV</strong>-Profil Kyrill . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19<br />
4.7. <strong>PV</strong>-Profil Xynthia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20<br />
4.8. <strong>PV</strong>-Profile mit 5 Zeitschritten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22<br />
4.9. Abbildungen aus dem IWAL des Sturms Lothar . . . . . . . . . . . . . . 23<br />
4.10. <strong>PV</strong>-Profil Xynthia mit zusätzlichem Zeitschritt . . . . . . . . . . . . . . . 24<br />
4.11. Vertikaler Querschnitt <strong>der</strong> <strong>PV</strong>/relativen Feuchte . . . . . . . . . . . . . . 25<br />
4.12. Entwicklung des minimalen Druckes Lothar’s . . . . . . . . . . . . . . . . 26<br />
4.13. △<strong>PV</strong>-Profil unterschiedlich starker <strong>Zyklonen</strong> . . . . . . . . . . . . . . . . 30<br />
Tabellenverzeichnis<br />
1.1. Betroffene Län<strong>der</strong> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2<br />
4.1. Zuordnung <strong>der</strong> Farbe <strong>der</strong> Profilkurven zu den jeweiligen Zeitschritten. . . 15<br />
4.2. Ausschnitt aus dem Tracking des Sturms Kyrill . . . . . . . . . . . . . . 19<br />
vi
Abkürzungen<br />
Folgende Abkürzungen werden in <strong>der</strong> Arbeit gebraucht:<br />
Englisch<br />
Deutsch<br />
ECMWF European Centre for Medium Europäisches Zentrum für mittelfristige<br />
Range Weather Forecasts Wettervorhersage<br />
ERA ECMWF ReAnalysis Reanalyse des ECMWF<br />
<strong>PV</strong> potential vorticity potentielle Vorticity<br />
<strong>PV</strong>U potential vorticity unit Einheit <strong>der</strong> potentiellen Vorticity<br />
SLP sea level pressure Druck auf Meereshöhe<br />
UTC Coordinated Universal Time koordinierte Weltzeit<br />
vii
viii
1 EINLEITUNG<br />
1. Einleitung<br />
Winterstürme in den mittleren Breiten weisen ein grosses Zerstörungspotential auf. Sie<br />
zählen zu den grössten Naturgefahren und können grosse Schäden von mehreren Milliarden<br />
Franken verursachen und auch Menschenleben gefährden.<br />
Aus diesem Grund ist das Verständnis für die Entstehung und Entwicklung eines Sturmes<br />
und die dazugehörigen Prozesse von grosser Wichtigkeit. Beson<strong>der</strong>s auch für eine<br />
rechtzeitige und verlässliche Vorhersage des Sturmes.<br />
1.1. Wahl <strong>der</strong> Stürme<br />
Die in dieser Arbeit betrachteten Stürme wurden aus <strong>der</strong> Liste des IMILAST (Intercomparison<br />
of midlatitude storm diagnostics) ausgewählt 1 . In jener Liste befinden<br />
sich 22 verschiedene Stürme <strong>der</strong> mittleren Breiten aus den Jahren 1990 bis 2012. In<br />
dieser Arbeit werden fünf Winterstürme analysiert, die in einem Zeitraum von 20 Jahren<br />
auftraten (1990 bis 2010). Bei <strong>der</strong> Auswahl wurde darauf geachtet, dass zwischen den<br />
Stürmen mindestens drei Jahre liegen, um unterschiedliche meteorologische Bedingungen<br />
zu garantieren. Des Weiteren war die Stärke des Sturmes und die Auswirkungen auf die<br />
Umwelt ausschlaggebend für die Wahl.<br />
Nach Betrachtung <strong>der</strong> genannten Punkte wurden folgende Stürme gewählt:<br />
•Daria 25-01-1990 Germany+ 19-01-90 00UTC - 28-01-90 18UTC<br />
•Lothar 26-12-1999 France+.. 20-12-99 00UTC - 29-12-99 18UTC<br />
•Quimburga 19-11-2004 Slovakia+ 13-11-04 00UTC - 22-11-04 18UTC<br />
•Kyrill 18-01-2007 Germany+ 12-01-07 00UTC - 21-01-07 18UTC<br />
•Xynthia 28-02-2010 France+ 23-02-10 00UTC - 04-02-10 18UTC<br />
Das Datum in <strong>der</strong> zweiten Spalte repräsentiert den Tag, an welchem <strong>der</strong> jeweilige<br />
Sturm seine maximale Intensität erreicht hat. Die letzte Spalte enthält die Zeitperiode,<br />
in welcher <strong>der</strong> Sturm erfasst werden konnte (Tracking; siehe Abb.2.2). Der Sturm war<br />
nicht zwingend in <strong>der</strong> gesamten angegebenen Zeitperiode identifizierbar; an<strong>der</strong>erseits<br />
kann die Lebenszeit des Sturmes auch über diese Zeitperiode hinausgehen. Die 3. Spalte<br />
zeigt die von den Stürmen betroffenen Län<strong>der</strong>. Hierzu in Tabelle 1.1 eine ausführlichere<br />
Auflistung 2 .<br />
Nun werden im folgenden Abschnitt einige Fakten und Zahlen zu den gewählten Stürmen<br />
vorgestellt.<br />
Der Sturm Kyrill überquerte Europa mit katastrophalen Wettererscheinungen und verheerenden<br />
Folgen. In einer Broschüre 3 des Deutschen Wetterdienstes (DWD) wurden<br />
1 http://www.proclim.ch/imilast/intercomparison.html; letzter Zugriff am 01. Juni 2013.<br />
2 http://www.speedwellweather.com/Pages/Others/EuWindstormSupport.aspx; letzter Zugriff am 01.<br />
Juni 2013.<br />
3 DWD, 2007: Der Orkan Kyrill - Ein Menetekel <strong>der</strong> Klimaän<strong>der</strong>ung? Faltblatt des DWD.<br />
1
1.1 Wahl <strong>der</strong> Stürme 1 EINLEITUNG<br />
Daria<br />
Lothar<br />
Quimburga<br />
Kyrill<br />
Xynthia<br />
GB, Frankreich, Belgien, Nie<strong>der</strong>lande, Luxemburg, Deutschland<br />
Frankreich, Schweiz, Deutschland, Österreich<br />
GB, Belgien, Nie<strong>der</strong>lande, Deutschland<br />
Irland, Frankreich, Nie<strong>der</strong>lande, Deutschland, GB, Belgien, Österreich<br />
Belgien, Dänemark, Frankreich, England, Deutschland, Polen, Portugal,<br />
Spanien, Schweden, GB<br />
Tabelle 1.1: Betroffene Län<strong>der</strong><br />
hierzu einige Zahlen genannt. Kyrill wütete über den europäischen Kontinent mit Windgeschwindigkeiten<br />
über 100 km/h im Flachland und mit über 200 km/h im Bergland. Er<br />
kam mit starken Nie<strong>der</strong>schlägen von bis zu 90 l/m 2 einher, for<strong>der</strong>te 39 Todesopfer und<br />
verursachte Schäden von 5-7 Milliarden Euro in Europa. Das ungewöhnliche an Kyrill<br />
im Vergleich zu an<strong>der</strong>en Stürmen mit ähnlich starken Winden und Nie<strong>der</strong>schlägen war,<br />
dass in ganz Deutschland flächendeckend sehr hohe Windgeschwindigkeiten auftraten<br />
und er so viel zerstörerischer auf sein Umfeld wirken konnte.<br />
Der Sturm Lothar war ähnlich zerstörerisch. Lothar zog unter rascher Vertiefung und<br />
Intensivierung über Nordfrankreich hinweg und bewegte sich weiter über Deutschland<br />
bis nach Ostsachsen. In einem Bericht des DWD 4 wird vermerkt, dass die stärksten und<br />
zerstörerischsten Winde nicht im Kernbereich lagen, son<strong>der</strong>n hinter <strong>der</strong> Okklusionsfront<br />
auf <strong>der</strong> Südseite des minimalen Bodendruckes. Dabei trafen die Winde weite Teile Frankreichs,<br />
<strong>der</strong> Schweiz und Süddeutschlands. Lothar war für die Schweiz das Naturereignis<br />
mit den bisher grössten Schäden. Durch die starken Winde entstand in den Wäl<strong>der</strong>n<br />
Frankreichs 115 × 10 6 m 3 Sturmholz (dies entspricht 268 % <strong>der</strong> jährlichen Rodung), in<br />
Deutschland 27 × 10 6 m 3 (69%) und in <strong>der</strong> Schweiz 12.8 × 10 6 m 3 (280%) (Wernli et al.,<br />
2002). Auch <strong>der</strong> Sturm Lothar for<strong>der</strong>te mehrere Todesopfer und die Schäden beliefen<br />
sich in <strong>der</strong> Schweiz auf ca. 1.8 Milliarden Franken. Im Flachland wurden Windspitzen<br />
zwischen 140 und 170 km/h erreicht, in den Bergen bis zu 250 km/h (Steininger et al.,<br />
2004).<br />
Der Sturm Xynthia wies ebenfalls starke Böen auf, die viele Schäden verursachten, und<br />
for<strong>der</strong>te über 60 Menschenleben. Das Beson<strong>der</strong>e an Xynthia im Vergleich mit an<strong>der</strong>en<br />
Stürmen war ihre aussergewöhnliche Zugbahn 5 . Xynthia zog nicht mit einer sonst üblichen<br />
Westströmung nach Mitteleuropa, son<strong>der</strong>n bewegte sich von Südwesten her nach<br />
Deutschland. Während die Stürme Lothar und Kyrill ein grosses Gebiet abdeckten, beschränkte<br />
sich das Windfeld <strong>der</strong> Zyklone Xynthia auf wenige 100 km Breite 6 .<br />
Der Sturm Quimburga hinterliess nach seinem Durchzug viele Schäden. In einer Fallstudie<br />
des ZAMG 7 (Zentralinstitut für Meteorologie und Geodynamik; meteorologische<br />
und geophysikalische Dienst Österreichs) wird darüber berichtet. Die Kaltfront zog von<br />
Nordwesten her über Europa und kam mit starken Nie<strong>der</strong>schlägen einher. Der Sturm<br />
4 Orkantief ’Lothar’ vom 26.12.1999, Bericht des DWD.<br />
5 Dr. Peter Bissolli, 2010: Orkansturm Xynthia über Südwest- und Westeuropa, Bericht des DWD.<br />
6 http://www.unwetterzentrale.de/uwz/551.html; letzter Zugriff am 01. Juni 2013.<br />
7 http://www.zamg.ac.at/eumetrain/EUMeTrain2006/Tatra/intro.htm; letzter Zugriff am 01. Juni<br />
2013.<br />
2
1.2 Motivation, Fragestellung und Ziele 1 EINLEITUNG<br />
fegte mit hohen Windgeschwindigkeiten bis zu 170 km/h zum Zeitpunkt <strong>der</strong> maximalen<br />
Intensität entlang <strong>der</strong> Lee Seite des Tatra Gebirges, dabei wurde eine Fläche von<br />
annähernd 10’000 km 2 des Fichtenwaldes des Tatra-Nationalparks zerstört. Dadurch<br />
wurden viele Strassen blockiert, Gebäude zerstört und auch Quimburga for<strong>der</strong>te einige<br />
Menschenleben.<br />
Der Sturm Daria wurde bekannt unter dem Namen ’The Burns Day storm’. In <strong>der</strong><br />
Studie von McCallum (1990) wird berichtet wie <strong>der</strong> Sturm am Geburtstag des Dichters<br />
Robert Burns über dessen Geburtsort Ayrshire zog; daher <strong>der</strong> Name ’The Burns Day<br />
storm’. Dieser Sturm erreichte von den fünf gewählten Stürmen den tiefsten Druck mit<br />
949.5 hPa. McCallum nannte in seiner Arbeit eine maximale Böengeschwindigkeit bis zu<br />
172 km/h (93 kn) und eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 120 km/h (65 kn). Über<br />
einem weiten Bereich Südenglands wurden mehrere Böenspitzen von 167 km/h (90 kn)<br />
gemessen. Die BBC berichtete 8 : Der Sturm Daria for<strong>der</strong>te etwa 100 Menschenleben,<br />
davon 47 auf den Britischen Inseln.<br />
1.2. Motivation, Fragestellung und Ziele<br />
Das Verständnis <strong>der</strong> Dynamik und <strong>Struktur</strong> einer Zyklone ist wesentlich für eine zuverlässige<br />
Wettervorhersage (Campa und Wernli, 2012). Viele verschiedene Charakteristiken<br />
<strong>der</strong> <strong>Zyklonen</strong> wurden bereits analysiert (z.B Grösse, Intensität, Aktivität, Windstärken,<br />
Nie<strong>der</strong>schlag und Wolkenstruktur). Es gibt eine Vielzahl an Studien die sich mit <strong>Zyklonen</strong><br />
und ihren Eigenschaften beschäftigen (z.B. Browning 1997, Rossa et al. 2000, Field<br />
and Wood 2007).<br />
Die <strong>Struktur</strong> <strong>der</strong> potentiellen Vorticity wurde dahingegen erst wenig berücksichtigt. Zum<br />
ersten Mal wurde die vertikale <strong>PV</strong>-<strong>Struktur</strong> in den Studien von Rossa et al. (2000) und<br />
Wang und Rogers (2001) präsentiert. Rossa et al. haben sich mit <strong>der</strong> Entstehung und<br />
dem darauf folgenden Zerfall eines ’<strong>PV</strong> towers’ (siehe Kapitel 2.2.2) beschäftigt, während<br />
Wang und Rogers die explosive Zyklogenese studiert haben, mit dem Augenmerk<br />
auf <strong>der</strong> <strong>Zyklonen</strong>struktur und ihrer Entwicklung.<br />
Das Ziel dieser Arbeit ist einen Einblick in die Forschung <strong>der</strong> Atmosphärendynamik<br />
zu erhalten; vor allem im Bereich <strong>der</strong> extratropischen <strong>Zyklonen</strong>. Die Entwicklung <strong>der</strong><br />
<strong>vertikalen</strong> <strong>PV</strong>-<strong>Struktur</strong> soll mithilfe einer ’<strong>PV</strong> tower’ <strong>Analyse</strong> untersucht und besser verstanden<br />
werden.<br />
Mit <strong>vertikalen</strong> <strong>PV</strong>-Profilen fünf verschiedener Stürme sollen folgende Fragen beantwortet<br />
werden:<br />
- Wie verän<strong>der</strong>t sich das <strong>PV</strong>-Profil im Laufe <strong>der</strong> Entwicklung?<br />
- Gibt es auffällige Unterschiede in den <strong>PV</strong>-Profilen <strong>der</strong> fünf gewählten Stürme?<br />
8 http://news.bbc.co.uk/onthisday/hi/dates/stories/january/25/newsid_3420000/3420797.stm; letzter<br />
Zugriff am 01. Juni 2013.<br />
3
1.2 Motivation, Fragestellung und Ziele 1 EINLEITUNG<br />
4
2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN<br />
2. Theoretische Grundlagen<br />
Dieses Kapitel gibt einen kurzen Einblick in extratropische <strong>Zyklonen</strong>, erläutert den Begriff<br />
<strong>der</strong> potentiellen Vorticity und erklärt, was man unter einem sogenannten ’<strong>PV</strong>-Tower’<br />
versteht.<br />
2.1. Extratropische <strong>Zyklonen</strong><br />
Einer <strong>der</strong> wichtigen meteorologischen Parameter, <strong>der</strong> zur Entstehung einer extratropischen<br />
Zyklone beiträgt und diese weiter Richtung Mitteleuropa antreibt, ist <strong>der</strong> starke<br />
meridionale Temperaturgradient in <strong>der</strong> Troposphäre zwischen den warmen Subtropen<br />
und den kalten polaren Gebieten (Polarfront). Aus diesem Temperaturgradienten entwickelt<br />
sich ein starker, nach Mitteleuropa gerichteter Jetstream in <strong>der</strong> oberen Troposphäre<br />
(Wernli et al., 2002). Eine Konsequenz des Temperaturgradienten ist <strong>der</strong> polwärts gerichtete<br />
Energietransfer (Field and Wood, 2007). Weitere wichtige Parameter sind einerseits<br />
eine starke Divergenz im linken Auszugsgebiet des Jets in <strong>der</strong> oberen Troposphäre, die<br />
zu einer raschen Entwicklung des Tiefs führt (Uccellini and Johnson, 1997; Baehr et al.,<br />
1999), wie auch das Einfliessen von trockener Luft aus <strong>der</strong> oberen Troposphäre nahe<br />
<strong>der</strong> Tropopause (Browning, 1997) und die Inklusion von anomal warmer und feuchter<br />
Luftmassen in den Warmluftsektor des Tiefs (Chang et al., 1984). Pinto et al. (2009)<br />
zeigten, dass eine starke Intensivierung meist im Zusammenhang mit dem Auftreten von<br />
extremen Werten <strong>der</strong> genannten Parameter nahe des Kerns <strong>der</strong> Zyklone steht. Defant et<br />
al. (1924) zeigten das diese Bedingungen häufig während <strong>der</strong> positiven Phasen <strong>der</strong> Nordatlantischen<br />
Zirkulation (NAO) auftraten. Diese positive Phase <strong>der</strong> NAO ist mit einem<br />
anomal starken Islandtief und einem ebenfalls starken Azorenhoch verbunden (Hurrell,<br />
1995).<br />
Der starke Einfluss <strong>der</strong> extratropischen <strong>Zyklonen</strong> auf das Wetter und Klima <strong>der</strong> mittleren<br />
Breiten führte zu einem extensiven Studium dieser Systeme. Folglich entstand eine<br />
Vielzahl an Arbeiten und Studien über die Entwicklung extratropischen <strong>Zyklonen</strong> und<br />
ihre verschiedenen Charakteristiken. Ein erstes Modell <strong>der</strong> Enstehung und Entwicklung<br />
einer Zyklone entstand aus den Arbeiten <strong>der</strong> norwegischen Meteorologen J. Bjerknes<br />
(1919), T. Bergeron und H. Solberg. Dieses berühmte norwegische <strong>Zyklonen</strong>modell (Abb.<br />
2.1) skizziert den Lebenszyklus einer Zyklone in den mittleren Breiten: Im Stadium I<br />
bildet sich eine anfänglich kleine Störung an <strong>der</strong> Polarfront aus. Diese Störung bewegt<br />
sich im Laufe <strong>der</strong> Entwicklung in Richtung Osten. Es bildet sich ein anfangs noch wenig<br />
ausgeprägter Wirbel aus und warme Luftmassen östlich des sich bildenden <strong>Zyklonen</strong>zentrums<br />
strömen nordwärts; westlich davon strömt kalte Luft nach Süden. Diese zwei<br />
unterschiedlichen Luftmassen bilden Fronten aus; die Kalt- und die Warmfront. Der Bereich<br />
zwischen diesen zwei Fronten wird Warmsektor genannt (Stadium II). Im Laufe<br />
<strong>der</strong> weiteren Entwicklung nimmt <strong>der</strong> Druck im Zentrum <strong>der</strong> Zyklone stark ab, während<br />
sich <strong>der</strong> Warmsektor stetig verkleinert, da die Kaltfront schneller als die Warmfront um<br />
die Zyklone rotiert (Stadium III). Im letzten Stadium (IV) wird die Warmfront am Boden<br />
von <strong>der</strong> Kaltfront eingeholt und vollständig vom Boden abgehoben; es bildet sich<br />
eine Okklusionsfront (Schultz and Wernli, 2001). Zum Zeitpunkt <strong>der</strong> Okklusion ist das<br />
5
2.1 Extratropische <strong>Zyklonen</strong> 2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN<br />
Tiefdruckgebiet am intensivsten. Im weiteren Verlauf <strong>der</strong> Entwicklung beginnt sich die<br />
Zyklone aufzulösen.<br />
Abbildung 2.1: Das norwegische Modell <strong>der</strong> <strong>Zyklonen</strong>entwicklung. Die Abbildung zeigt die 4<br />
aufeinan<strong>der</strong>folgenden Stadien in <strong>der</strong> Entwicklung einer extratropischen Zyklone. (Oben) Idealisierte<br />
Fronten und Isobaren, grau unterlegt sind die Gebiete des Nie<strong>der</strong>schlags. (Unten) Isotherme<br />
(schwarz) und <strong>der</strong> Luftfluss (Pfeile). Die rote Pfeile zeigen den Fluss in den Warmsektor,<br />
die blauen den Fluss in den Kaltsektor. Der rote Punkt markiert das Zentrum <strong>der</strong> Zyklone.<br />
Abbildung entnommen aus ’Atmospheric Science (Second Edition)’ von Wallace und Hobbs<br />
(2006).<br />
Beschäftigte man sich zu Beginn <strong>der</strong> Forschung <strong>der</strong> extratropischen <strong>Zyklonen</strong> noch mit<br />
zweidimensionalen Modellen, wurden im Laufe <strong>der</strong> Zeit viele verschiedene Parameter im<br />
dreidimensionalen Raum untersucht und im heutigen Standpunkt <strong>der</strong> Forschung werden<br />
allmählich Studien über extratropische <strong>Zyklonen</strong> im Zusammenhang mit <strong>der</strong> Klimaän<strong>der</strong>ung<br />
veröffentlicht. Ulbrich et al. (2009) beispielsweise berichtet über das aktuelle<br />
Wissen möglicher Än<strong>der</strong>ungen <strong>der</strong> extratropischen <strong>Zyklonen</strong> im Zusammenhang mit den<br />
anthropogen verursachten Klimaän<strong>der</strong>ungen. Bislang gibt es wenige Studien, die sich mit<br />
dem Klimawandel und <strong>der</strong> Entwicklung <strong>der</strong> Stürme im zukünftigen Klima beschäftigen.<br />
Die Studien sind sich oft nicht einig, selbst wenn mit den gleichen Daten gearbeitet<br />
wird. Ein Grund dafür sind unterschiedliche Ansätze (bspw. für die Identifizierung o<strong>der</strong><br />
das Tracking <strong>der</strong> <strong>Zyklonen</strong>), die für diese Studien gebraucht werden. Des Weiteren sind<br />
<strong>Zyklonen</strong> sehr komplexe dreidimensionale Gebilde <strong>der</strong> atmosphärischen Zirkulation mit<br />
verschiedenen physikalischen Aspekten, die nicht mit einer simplen Annäherung erfasst<br />
werden können (Ulbrich et al., 2009).<br />
6
2.2 Potentielle Vorticity (<strong>PV</strong>) 2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN<br />
2.1.1. Zugbahn einer Zyklone (Sturmtrack)<br />
Mithilfe des minimalen Druckes im <strong>Zyklonen</strong>zentrum kann die räumliche Bahn <strong>der</strong> Stürme<br />
aufgezeigt werden. Diese sogenannten Sturmtracks werden mit einem Tracking- Algorithmus<br />
erhalten, <strong>der</strong> aus einem SLP-Feld die Minima ermittelt (Campa and Wernli,<br />
2012). In Abbildung 2.2 sind die Zugbahnen <strong>der</strong> gewählten Stürme ersichtlich (siehe<br />
dazu Kapitel 3.2)<br />
Abbildung 2.2: Zugbahnen <strong>der</strong> Stürme Daria (hellgrün), Kyrill (magenta), Lothar (blau),<br />
Quimburga (rot) und Xynthia (türkis).<br />
2.2. Potentielle Vorticity (<strong>PV</strong>)<br />
Die potentielle Vorticity hat sich als Schlüsselgrösse <strong>der</strong> Atmosphärendynamik entwickelt.<br />
Seit <strong>der</strong> bahnbrechenden Arbeit von Hoskins et al. (1985) haben sich immer häufiger<br />
Studien mit <strong>der</strong> potentiellen Vorticity beschäftigt um extratropische <strong>Zyklonen</strong> besser<br />
zu verstehen. Whitaker et. al. (1988) haben sich beispielsweise mit <strong>der</strong> schnellen Entwicklungsphase<br />
einer Zyklone beschäftigt und dabei die <strong>PV</strong> - Perspektive benutzt.<br />
Die Definition <strong>der</strong> <strong>PV</strong> lautet (in kartesischen Koordinaten; Ertel 1942):<br />
P = 1 ρ−→ η · −→<br />
∇p Θ (1)<br />
wobei ρ die Dichte, Θ die potentielle Temperatur, −→ η = −→ ∇ p × −→ v + 2 −→ Ω den Vektor <strong>der</strong><br />
absoluten Vorticity und Ω die Erdrotation darstellen.<br />
Folgende Eigenschaften machen die potentielle Vorticity eine für die atmosphärischen<br />
Wissenschaften attraktive und aussagekräftige Grösse:<br />
1. In einer adiabatischen und reibungsfreien Strömung ist <strong>PV</strong> eine materielle Erhaltungsgrösse,<br />
d.h. <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Wert eines Luftpakets bleibt unverän<strong>der</strong>t, unabhängig<br />
davon, wohin es sich bewegt (z.B. Hoskins et al. 1985).<br />
2. Ist die <strong>PV</strong>-Verteilung <strong>der</strong> Atmosphäre und die Verteilung <strong>der</strong> potentiellen Temperatur<br />
am Boden bekannt, können Druck-, Temperatur- und Windfeld bestimmt<br />
werden. (z.B. Davis und Emanuel 1991; Davis et al. 1993; Hakim et al. 1996).<br />
7
2.2 Potentielle Vorticity (<strong>PV</strong>) 2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN<br />
Mit <strong>der</strong> Erhaltungseigenschaft ist es möglich die Entwicklungen, die durch Heizung<br />
o<strong>der</strong> Reibung beeinflusst werden, zu verfolgen, während das Invertibilitätsprinzip für<br />
die quantitative Messung dieser Effekte gebraucht werden kann (Davis and Emanuel,<br />
1991).<br />
2.2.1. <strong>PV</strong>-Anomalie<br />
Die Theorie des folgenden Abschnittes stützt sich grösstenteils auf das Vorlesungsskript<br />
von Wernli (2012).<br />
Als <strong>PV</strong>-Anomalie bezeichnet man eine Abweichung von einer typischen klimatologischen<br />
Verteilung <strong>der</strong> potentiellen Vorticity. Dabei sind positive <strong>PV</strong>-Anomalien mit einem zyklonalen,<br />
negative jedoch mit einem antizyklonalen Windfeld verbunden. Eine <strong>PV</strong>-Anomalie<br />
kann entwe<strong>der</strong> durch diabatische o<strong>der</strong> adiabatische Prozesse erzeugt werden, wobei die<br />
adiabatischen Prozesse hauptsächlich in <strong>der</strong> oberen und die diabatischen in <strong>der</strong> unteren<br />
und mittleren Troposphäre stattfinden.<br />
Kondensationsprozesse o<strong>der</strong> Reibung in einem Luftpaket verän<strong>der</strong>n die <strong>PV</strong>-Werte <strong>der</strong><br />
Atmosphäre; es kommt zu <strong>PV</strong>-Erzeugung o<strong>der</strong> Vernichtung. Diabatisches Heizen ist ein<br />
wichtiger Prozess im Bezug auf die potentielle Vorticity. In gesättigten Aufstiegsregionen<br />
in <strong>der</strong> unteren und mittleren Troposphäre führt die Freisetzung von latenter Wärme<br />
zur Bildung von positiven <strong>PV</strong>-Anomalien, d.h. positive <strong>PV</strong>-Anomalien werden in <strong>der</strong><br />
unteren und mittleren Troposphäre durch Kondensationsprozessen des Wasserdampfes<br />
erzeugt. Die Bedeutung <strong>der</strong> diabatischen Prozesse werden in <strong>der</strong> Gleichung <strong>der</strong> materiellen<br />
Ableitung <strong>der</strong> <strong>PV</strong> (P = −g −→ η · −→ ∇ p Θ) ersichtlich. In Druckkoordinaten gilt:<br />
DP<br />
Dt = −g−→ η · −→ ∇ p ˙Θ − g<br />
−→<br />
∇p Θ · ( −→ ∇ p × −→ F ) (2)<br />
wobei −→ η = f −→ k + −→ ∇ p × −→ v die absolut Vorticity darstellt, ˙Θ die materielle Än<strong>der</strong>ung<br />
<strong>der</strong> potentiellen Temperatur bzw. die diabatische Heizrate (in Ks −1 ), −→ F die Summe <strong>der</strong><br />
nicht-konservative Kraft und f den Coriolis-Parameter darstellen. −→ v ist <strong>der</strong> horizontale<br />
Windvektor und −→ k <strong>der</strong> vertikale Einheitsvektor (Wernli et al., 2002).<br />
Dabei zeigt <strong>der</strong> vor<strong>der</strong>e Term den Einfluss des diabatischen Heizens auf die potentielle<br />
Vorticity. Bei diesem diabatischen Term dominiert die dritte Komponente des Skalarproduktes,<br />
so gilt näherungsweise:<br />
DP<br />
Dt ≃ −g(f + ζ p) ∂ ˙Θ<br />
∂p<br />
Die Gleichung (3) besagt, dass (im normalerweise anzutreffenden Fall (f + ζ) > 0) in<br />
einem Luftpaket unterhalb bzw. oberhalb eines Maximums <strong>der</strong> diabatischen Heizrate<br />
<strong>PV</strong> produziert resp. vernichtet wird.<br />
2.2.2. <strong>PV</strong>-Tower<br />
Weist eine extratropische Zyklone zum Zeitpunkt ihrer maximalen Intensität eine vertikale<br />
Säule mit anomal hohen <strong>PV</strong> Werten auf (≥1 <strong>PV</strong>U; 1 <strong>PV</strong>U = 10 −6 Kkg −1 m 2 s −1 ),<br />
(3)<br />
8
2.2 Potentielle Vorticity (<strong>PV</strong>) 2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN<br />
wird von einem ’<strong>PV</strong> tower’ gesprochen (Rossa et al. 2000).<br />
Dabei können drei verschiedene <strong>PV</strong>-Anomalien unterschieden werden (Rossa et al.<br />
2000; Campa and Wernli 2012):<br />
- Eine stratosphärische Intrusion mit grossen positiven <strong>PV</strong>-Werten,<br />
- eine diabatisch produzierte <strong>PV</strong>-Anomalie in <strong>der</strong> unteren Troposphäre<br />
- und eine warme, bodennahe Anomalie <strong>der</strong> potentiellen Temperatur θ, die einer<br />
positiven <strong>PV</strong>-Anomalie entspricht.<br />
Ein ’<strong>PV</strong> tower’ ist wichtig für das Verständnis <strong>der</strong> Intensität einer Zyklone. <strong>Zyklonen</strong><br />
entstehen über stark baroklinen Zonen und entwickeln während <strong>der</strong> Fortbewegung eine<br />
nach Westen ausgerichtete Neigung, die sich von <strong>der</strong> Bodenanomalie bis zur stratosphärischen<br />
Intrusion in <strong>der</strong> oberen Troposphäre zieht. Diese Neigung nimmt im Laufe <strong>der</strong><br />
Entwicklung ab, bis sie zum Zeitpunkt des Entwicklungshöhepunkts so klein ist, dass<br />
die erwähnten Anomalien vertikal übereinan<strong>der</strong> zu liegen kommen.<br />
<strong>Zyklonen</strong> mit einer solchen Anordnung weisen meist sehr hohe Intensitäten auf; denn<br />
liegen die <strong>PV</strong>-Anomalien vertikal perfekt übereinan<strong>der</strong>, können sie eine kohärente zyklonale<br />
Zirkulation vom Boden bis zur Tropopause ausbilden und sich so gegenseitig<br />
noch verstärken (Campa and Wernli, 2012). So haben beispielsweise Lim und Simmonds<br />
(2007) gezeigt, dass beson<strong>der</strong>s bei explosiven <strong>Zyklonen</strong> die <strong>PV</strong>-Anomalien gut vertikal<br />
übereinan<strong>der</strong> organisiert sind.<br />
Mithilfe <strong>der</strong> Wechselwirkung zwischen <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Anomalie in <strong>der</strong> oberen Troposphäre und<br />
<strong>der</strong> Anomalie <strong>der</strong> potentiellen Temperatur am Boden lässt sich das barokline Wachstum<br />
<strong>der</strong> Störung gut erklären (Hoskins et al., 1985). Die zwei Anomalien führen zu einem<br />
positiven Feedbackmechanismus indem die positive <strong>PV</strong>-Anomalie in <strong>der</strong> oberen Troposphäre<br />
mit ihrer Zirkulation eine positive Anomalie am Boden erzeugt, welche ihrerseits<br />
eine eigene Zirkulation ausbildet und dabei die Zirkulation <strong>der</strong> oberen Anomalie weiter<br />
verstärkt. Auch die diabatisch erzeugte <strong>PV</strong>-Anomalie in <strong>der</strong> unteren o<strong>der</strong> mittleren Troposphäre<br />
kann eine solche tiefer liegende positive <strong>PV</strong>-Anomalie erzeugen. Somit kann<br />
das gleichzeitige Dasein <strong>der</strong> unterschiedlichen Anomalien eine vertikale Säule mit hohen<br />
<strong>PV</strong>-Werten in <strong>der</strong> Troposphäre ausbilden (Rossa et al., 2000).<br />
Davis und Emanuel (1991) haben den Beitrag <strong>der</strong> einzelnen Anomalien bezüglich <strong>der</strong><br />
zyklonalen Zirkulation untersucht. Die diabatisch erzeugte <strong>PV</strong>-Anomalie trägt am meisten<br />
zur Vorticity <strong>der</strong> unteren Troposphäre bei, gefolgt von <strong>der</strong> Anomalie <strong>der</strong> potentiellen<br />
Temperatur am Boden. Die <strong>PV</strong>-Anomalie <strong>der</strong> oberen Troposphäre trägt nur einen kleinen<br />
Teil zur Vorticity <strong>der</strong> unteren Troposphäre bei.<br />
Dadurch, dass die diabatisch erzeugten <strong>PV</strong>-Anomalien stark zur Zirkulation <strong>der</strong> unteren<br />
Troposphäre beitragen, wird ersichtlich wie wichtig diabatische Prozesse in einer<br />
Zyklone sind. Diese Prozesse sind folglich unabdingbar für die Entstehung eines ’<strong>PV</strong><br />
towers’ und können unter an<strong>der</strong>em auch zu einer schnelleren Intensivierung einer Zyklone<br />
führen (Rossa et al., 2000).<br />
9
2.2 Potentielle Vorticity (<strong>PV</strong>) 2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN<br />
10
3 DATEN UND METHODEN<br />
3. Daten und Methoden<br />
3.1. Daten<br />
Die Daten dieser Arbeit entstammen dem ERA-Interim Datensatz des European Centre<br />
for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF). Die ERA-Interim Daten decken die<br />
Periode 1989 bis 2009 ab und setzen sich aus historischen Beobachtungsdaten und Daten<br />
aus Wettervorhersagemodellen (NWP) zusammen. Die Beobachtungsdaten bestehen<br />
aus Messungen von Landstationen, Radiosonden, Flugzeugen und Satelliten. Charakteristisch<br />
für solche Messungen sind Messfehler, Messungenauigkeiten und die globale<br />
inhomogene Abdeckung <strong>der</strong> beobachteten Daten.<br />
Das ERA-Interim ersetzt das Produkt ERA-40, welches die Jahre 1957 bis 2002 abdeckt<br />
und bringt einige Vorteile und Neuerungen. Es hat bspw. eine neue Feuchte-<strong>Analyse</strong>, ein<br />
verbessertes physikalisches Modell, eine Kontrolle <strong>der</strong> Datenqualität und eine verbesserte<br />
Auflösung (T255L60 versus T159L60) (Dee et al. 2011).<br />
Für die Reanalyse-Daten wurde mit einem mo<strong>der</strong>nen Datenassimilationsverfahren und<br />
mit archivierten Beobachtungsdaten 6-stündlich (00, 06, 12 und 18 UTC) eine globale<br />
<strong>Analyse</strong> durchgeführt. Die ursprünglichen Fel<strong>der</strong> wurden auf ein Gitter mit einer<br />
Auflösung von 1°× 1° interpoliert und das <strong>PV</strong>-Feld wurde aus den Wind- und Temperaturfel<strong>der</strong>n<br />
berechnet. Dieses <strong>PV</strong>-Feld wird anschliessend auf die einzelnen Druckebenen<br />
interpoliert (alle 25 hPa zwischen 1000 und 150 hPa).<br />
Die für diese Arbeit relevanten Parameter sind die <strong>PV</strong>-Werte, die Koordinaten des<br />
Trackings und <strong>der</strong> Bodendruck im Zentrum <strong>der</strong> Zyklone.<br />
3.2. Methoden<br />
Tracking <strong>der</strong> Stürme<br />
Die <strong>Zyklonen</strong> wurden mithilfe eines von Wernli und Schwierz (2006) eingeführten Tracking-<br />
Algorithmus identifiziert und ihre Zugbahn ermittelt. Dabei wird die langrang’sche Perspektive<br />
gebraucht und die Position des <strong>Zyklonen</strong>kerns am Boden 6-stündlich ermittelt.<br />
Extratropische <strong>Zyklonen</strong> entstehen meist an <strong>der</strong> Ostküste Nordamerikas und bewegen<br />
sich über den Nordatlantik in Richtung Nordeuropa. Der Tracking-Algorithmus sucht<br />
für jeden neuen Zeitpunkt im Lebenszyklus <strong>der</strong> Zyklone nach dem Minimum des Bodendruckes.<br />
Die Koordinaten dieses Minimums werden dabei als das Zentrum <strong>der</strong> Zyklone<br />
definiert. Um die Zugbahnen <strong>der</strong> jeweiligen <strong>Zyklonen</strong> zu erhalten, werden diese Koordinatenpunkte<br />
miteinan<strong>der</strong> verbunden. Nebst den Koordinaten des <strong>Zyklonen</strong>zentrums am<br />
Boden, enthält das Tracking Information über die Grösse <strong>der</strong> Zyklone, den Kerndruck<br />
und den Druck <strong>der</strong> äussersten geschlossenen Kontur <strong>der</strong> Zyklone.<br />
Berechnung <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Profile<br />
Für die Berechnung <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Profile wird das horizontale Mittel über alle Gitterpunkte<br />
auf allen Druckflächen (alle 25 hPa zwischen 1000 und 100 hPa) in einem Umkreis mit<br />
einem Radius von 200 km um das Zentrums <strong>der</strong> Zyklone betrachtet. Dabei werden alle<br />
11
3.3 IWAL 3 DATEN UND METHODEN<br />
benötigten Variablen in diesem Umkreis gemittelt. Der Grund für diese Mittelung sind<br />
starke Sprünge im <strong>vertikalen</strong> Profil eines einzelnen Koordinatenpunktes. Der Verlauf des<br />
Profils wird dadurch weniger sprunghaft.<br />
Analysierte Zeitperiode<br />
Für die <strong>Analyse</strong> liegen drei bestimmte Zeitpunkte im Mittelpunkt: <strong>der</strong> Zeitpunkt <strong>der</strong><br />
maximalen Sturmintensität, und die Zeitpunkte 12 und 24 Stunden davor. Für einen<br />
genaueren Vergleich wurden auch die Zeitpunkte 6 und 18 Stunden vor dem minimalen<br />
Bodendruck betrachtet.<br />
3.3. IWAL<br />
Nach <strong>der</strong> <strong>Analyse</strong> <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Profile <strong>der</strong> einzelnen Stürme und <strong>der</strong>en Vergleich untereinan<strong>der</strong>,<br />
wurden die in Matlab erstellten Plots mit Abbildungen aus dem IWAL verglichen<br />
9 . Das IWAL Projekt wurde von Michael Sprenger und Heini Wernli initiert und von<br />
Sebastian Limbach und Michael Sprenger entwickelt. Mithilfe des IWALs lassen sich<br />
verschiedene klimatologische Grössen, wie bspw. die Temperatur, Druck, Feuchte, potentielle<br />
Vorticity und viele weitere, global anzeigen. In Abbildung 3.1 sind beispielsweise<br />
für den 18. Januar 2007 die Temperatur auf 950 hPa und die SLP aufgezeigt.<br />
(a)<br />
(b)<br />
Abbildung 3.1: Beispiel einer Abbildung aus dem IWAL. a) zeigt die horizontale <strong>PV</strong> Fläche<br />
auf 250 hPa am 26. Dezember 06 UTC, in b) wurde ein vertikaler Querschnitt entlang 2.25°O<br />
und von 44 bis 52°N ausgewählt.<br />
Des Weiteren sind einige Fallstudien auf dem IWAL gespeichert, was die Betrachtung<br />
<strong>der</strong> verschiedenen klimatologischen Grössen <strong>der</strong> Stürme stark vereinfacht, da dort nur<br />
die relevanten Zeiten <strong>der</strong> jeweiligen Stürme gespeichert sind.<br />
9 www.iwal.ethz.ch<br />
12
4 RESULTATE UND DISKUSSION<br />
4. Resultate und Diskussion<br />
4.1. Druckentwicklung<br />
Die Verän<strong>der</strong>ung des Druckes mit <strong>der</strong> Zeit gibt Auskunft darüber, wie schnell eine Intensivierung<br />
stattgefunden hat. In <strong>der</strong> Abbildung 4.2 sind die Druckentwicklungen <strong>der</strong> fünf<br />
Stürme aufgezeigt. Für eine gute Vergleichsmöglichkeit wurden alle fünf Druckverläufe<br />
im gleichen Zeitfenster (30 Stunden vor und 30 Stunden nach dem Zeitpunkt maximaler<br />
Intensität) und <strong>der</strong>selben <strong>vertikalen</strong> Ausdehnung (949 bis 1000 hPa) gezeichnet. Da für<br />
die <strong>Analyse</strong> <strong>der</strong> <strong>vertikalen</strong> <strong>PV</strong>-Profile die Zeitpunkte um die maximale Intensität von<br />
grösster Bedeutung sind, wurde auch bei den hier gezeigten Abbildungen die Zeitperiode<br />
24 Stunden vor dem minimalen Druck in den Fokus gerückt.<br />
Der Sturm Daria wies von allen fünf untersuchten <strong>Zyklonen</strong> die stärkste Intensivierung<br />
vor und <strong>der</strong> Druck im Zentrum <strong>der</strong> Zyklone fiel mit Abstand am tiefsten. Innerhalb von<br />
24 Stunden nahm er annähernd 40 hPa ab und erreichte ein Druckminimum von 949.5<br />
hPa. Eine solch starke und schnelle Druckabnahme wird oft als eine explosive Intensivierung<br />
bezeichnet. Auch Kyrill wies eine starke Abnahme von 30 hPa in 24 Stunden<br />
auf.<br />
Wird Kyrills Druckentwicklung weiter verfolgt, fällt auf, dass zwischen 2 Druckminima<br />
unterschieden werden kann. Einerseits zeigte sich am 19. Januar 06 UTC ein Minimum<br />
von 962.13 hPa. Der eigentliche minimale Bodendruck direkt nach <strong>der</strong> Intensivierungsphase<br />
taucht jedoch schon am 17. Januar 18 UTC auf (964.17 hPa). In <strong>der</strong> Abbildung 4.1<br />
zeigen sich die zwei Druckminimas und die vollständige Druckentwicklung des Sturms<br />
Kyrill.<br />
Abbildung 4.1: Entwicklung des minimalen Bodendruckes <strong>der</strong> <strong>Zyklonen</strong> Kyrill I und Kyrill<br />
II von 90°W bis 50°O bzw. 15. Januar 06 UTC bis 20. Januar 18 UTC. Die blaue Kurve zeigt<br />
den Druckverlauf <strong>der</strong> Zyklone Kyrill I, die schwarze jene <strong>der</strong> Zyklone Kyrill II. Mit rot wurde<br />
<strong>der</strong> Bereich <strong>der</strong> Intensivierung markiert. Entnommen aus "Diagnosing the influence of diabatic<br />
processes on the explosive deepening of extratropical cyclones"von Fink et al. (2012).<br />
Der Grund dafür liegt in <strong>der</strong> gesamten Entwicklung Kyrills. Die ermittelte Zugbahn<br />
ist hier nicht nur einer, son<strong>der</strong>n zwei <strong>Zyklonen</strong> zuzuordnen. Der Sturm Kyrill lässt sich<br />
einteilen in die <strong>Zyklonen</strong> Kyrill I und II. Nach <strong>der</strong> Intensivierung von Kyrill I variierte<br />
<strong>der</strong> Druck <strong>der</strong> Zyklone Kyrill II nur noch leicht um 964 hPa. Weiteres dazu in Kapitel<br />
13
4.1 Druckentwicklung 4 RESULTATE UND DISKUSSION<br />
4.4.2 auf Seite 27.<br />
(a) Daria<br />
(b) Lothar<br />
(c) Quimburga<br />
(d) Kyrill<br />
(e) Xynthia<br />
Abbildung 4.2: Entwicklung des minimalen Bodendruckes (in hPa) <strong>der</strong> fünf untersuchten<br />
Stürme. Die Zeitperiode ist jeweils 30 Stunden vor und 30 Stunden nach dem Zeitpunkt <strong>der</strong><br />
maximalen Intensität.<br />
Die weiteren drei Stürme weisen ebenfalls rapide Intensivierungen auf. Xynthia und<br />
Lothar zeichneten eine Druckabnahme von etwa 18-22 hPa in 24 Stunden auf, Quimburga<br />
wies die schwächste Druckabnahme mit 13 hPa in 24 Stunden auf.<br />
14
4.2 <strong>Analyse</strong> <strong>der</strong> <strong>vertikalen</strong> <strong>PV</strong>-Profile 4 RESULTATE UND DISKUSSION<br />
4.2. <strong>Analyse</strong> <strong>der</strong> <strong>vertikalen</strong> <strong>PV</strong>-Profile<br />
Im folgenden Abschnitt werden die <strong>vertikalen</strong> <strong>PV</strong>-Profile <strong>der</strong> einzelnen Stürme im Detail<br />
betrachtet und untereinan<strong>der</strong> verglichen. Des Weiteren werden vereinzelte, interessante<br />
Profile mit Abbildungen aus dem Iwal verglichen. Im letzten Abschnitt werden die erhaltenen<br />
Resultate zu den Stürmen Lothar und Kyrill mit früheren Studien von Wernli<br />
et al. (2002) und Fink et al. (2009) verglichen, die sich auch mit den genannten Stürmen<br />
befasst haben.<br />
Die Kurven in den Abbildungen repräsentieren dabei folgende Zeitpunkte:<br />
Farbe<br />
Stunden vor dem Zeitpunkt <strong>der</strong> maximalen Intensität [h]<br />
gelb 24<br />
orange 18<br />
rot 12<br />
blau 06<br />
schwarz 00<br />
Tabelle 4.1: Zuordnung <strong>der</strong> Farbe <strong>der</strong> Profilkurven zu den jeweiligen Zeitschritten.<br />
Daria<br />
Für die <strong>Analyse</strong> <strong>der</strong> Zyklone Daria wurde das <strong>PV</strong>-Profil im Bereich des <strong>Zyklonen</strong>zentrums<br />
am 25. Januar 18 UTC und 12 resp. 24 Stunden davor betrachtet.<br />
Wie im Kapitel 4.1 erwähnt, durchlief Daria eine explosive Intensivierung von etwa 40<br />
hPa in nur 24 Stunden. Abbildung 4.3 zeigt, dass bereits ein Tag vor dem Zeitpunkt <strong>der</strong><br />
maximalen Intensität das <strong>PV</strong>-Profil eine Anomalie mit einem Maximum von 1.1 <strong>PV</strong>U<br />
auf 860 hPa aufwies und <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Wert bis 600 hPa nicht unter 1 <strong>PV</strong>U fiel.<br />
Die ’traditionelle’ dynamische Tropopause die per Definition bei 2 <strong>PV</strong>U liegt (Wernli<br />
und Bourqui, 2002) lag zu diesem Zeitpunkt auf 280 hPa.<br />
Die in <strong>der</strong> unteren Troposphäre beobachtete Anomalie nahm im Laufe <strong>der</strong> Intensivierung<br />
zu. 12 Stunden vor <strong>der</strong> maximalen Intensität befand sie sich auf 780 hPa mit einem<br />
Maximum von etwa 1.5 <strong>PV</strong>U. Weitere 12 Stunden später und somit zum Zeitpunkt <strong>der</strong><br />
maximalen Intensität lag die Anomalie auf 810 hPa mit einem Maximum von 1.8 hPa.<br />
Die <strong>PV</strong>-Werte nahmen im Laufe <strong>der</strong> Intensivierung zu, beson<strong>der</strong>s im Bereich <strong>der</strong> ausgeprägten<br />
Anomalie in <strong>der</strong> unteren Troposphäre. In den folgenden 12 Stunden fand eine<br />
Senkung <strong>der</strong> Tropopause um 100 hPa statt.<br />
Am 25. Januar 18 UTC, dem Zeitpunkt <strong>der</strong> maximalen Intensität, zeigt das <strong>PV</strong>-Profil<br />
zwischen 500 und 350 hPa eine Region mit tief liegenden <strong>PV</strong>-Werten (< 0.5 <strong>PV</strong>U) und<br />
die Tropopause befindet sich ähnlich wie 24 Stunden davor auf etwa 300 hPa.<br />
Daraus lässt sich schliessen, dass sich keine stratosphärische Intrusion direkt über dem<br />
15
4.2 <strong>Analyse</strong> <strong>der</strong> <strong>vertikalen</strong> <strong>PV</strong>-Profile 4 RESULTATE UND DISKUSSION<br />
Sturmzentrum befand 10 .<br />
In diesem Fall zeigt sich kein durch die ganze Troposphäre durchgehen<strong>der</strong> ’<strong>PV</strong> tower’. Ein<br />
solcher ist vorhanden, sobald <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Wert durchgehend durch die ganze Troposphäre<br />
über 1 <strong>PV</strong>U liegt (Rossa et al., 2002).<br />
Abbildung 4.3: <strong>PV</strong>-Profil <strong>der</strong> Zyklone Daria zwischen 950 und 200 hPa. Die schwarze Kurve<br />
zeigt das Profil zum Zeitpunkt des minimalen Bodendrucks am 25. Januar 18 UTC, die rote<br />
Kurve ist das Profil am 25. Januar 06 UTC und die gelbe Kurve am 24. Januar 18 UTC.<br />
Lothar<br />
Der Sturm Lothar hatte von allen fünf untersuchten Stürmen die kürzeste Entwicklungsbzw.<br />
Lebensdauer. 24 Stunden vor dem minimalen Druck auf Meereshöhe fand eine starke<br />
Intensivierung statt, die Druckabnahme betrug 22 hPa in 24 Stunden. Des Weiteren<br />
fiel <strong>der</strong> Sturm Lothar auch durch eine schnelle Ostwärtsbewegung auf. Er bewegte sich<br />
durchschnittlich mit etwa 10° in sechs Stunden über den Kontinent.<br />
Für die <strong>Analyse</strong> wurde das <strong>PV</strong>-Profil im Bereich des <strong>Zyklonen</strong>zentrums am 26. Dezember<br />
12 UTC und 12 resp. 24 Stunden davor betrachtet. Lothar erreichte am 26.<br />
Dezember 12 UTC maximale Intensität mit einem minimalen Bodendruck von 976.15<br />
hPa. Vor dem Zeitpunkt <strong>der</strong> maximalen Intensität nahm <strong>der</strong> Druck zwischen dem 26.<br />
Dezember 00 UTC und 06 UTC um 10 hPa ab. In den folgenden sechs Stunden fiel <strong>der</strong><br />
Druck noch um 1 hPa.<br />
In Abbildung 4.4 zeigt sich im Profil schon am 25. Dezember 12 UTC eine <strong>PV</strong> Anomalie<br />
in <strong>der</strong> unteren Troposphäre mit einem Maximum von 1.2 <strong>PV</strong>U auf 820 hPa.<br />
Diese Anomalie blieb bis zum Zeitpunkt maximaler Intensität auf annähernd <strong>der</strong> gleichen<br />
Höhe erhalten. 12 Stunden später, am 26. Dezember 00 UTC, lag das Maximum<br />
dieser Anomalie weiterhin bei 1.2 hPa. Zum Zeitpunkt maximaler Intensität nahm <strong>der</strong><br />
<strong>PV</strong>-Wert auf 1.8 <strong>PV</strong>U zu und lag auf einer Höhe von 800 hPa. Die dynamische Tropopause<br />
befand sich ein Tag vor dem minimalen Bodendruck auf schätzungsweise 190<br />
10 Die <strong>PV</strong>-Profile werden vertikal (in einem Umkreis mit einem Radius von 200 km) über dem <strong>Zyklonen</strong>zentrum<br />
berechnet und dementsprechend kann eine stratosphärische Intrusion nur erfasst werden,<br />
wenn sie näher als 200 km an das Zentrum heranreicht (Campa and Wernli 2012).<br />
16
4.2 <strong>Analyse</strong> <strong>der</strong> <strong>vertikalen</strong> <strong>PV</strong>-Profile 4 RESULTATE UND DISKUSSION<br />
(a)<br />
(b)<br />
Abbildung 4.4: <strong>PV</strong>-Profile <strong>der</strong> Zyklone Lothar mit dem minimalen Bodendruck von 976.15<br />
hPa zwischen 950 und 200 hPa. Die Abbildung a) zeigt die Zeitpunkte <strong>der</strong> maximalen Intensität<br />
und 12 bzw. 24 Stunden davor. Die schwarze Kurve zeigt das Profil zum Zeitpunkt des<br />
minimalen Bodendrucks am 26. Dezember 12 UTC, die rote Kurve ist das Profil am 26. Dezember<br />
00 UTC und die gelbe Kurve am 25. Dezember 12 UTC. Abbildung b) zeigt zusätzlich<br />
die Zeitschritte 6 (blau) und 18 Stunden (orange) vor dem minimalen Bodendruck.<br />
hPa und nahm kontinuierlich ab. Am 26. Dezember 00 UTC lag die Tropopause auf<br />
250 hPa und erreichte zum Zeitpunkt <strong>der</strong> maximalen Intensität eine Höhe von ca. 380<br />
hPa. Das Profil sechs Stunden vor dem minimalen Bodendruck weicht von <strong>der</strong> typischen<br />
Entwicklung ab. Neben <strong>der</strong> <strong>PV</strong> Anomalie, die sich in den bisher beschriebenen Profile<br />
gezeigt hat, erscheint zu diesem Zeitpunkt auch auf einer Höhe zwischen 600 und 700<br />
hPa eine Anomalie mit einem Maximum von 1.8 <strong>PV</strong>U, wie auch auf 925 hPa Höhe mit<br />
einem Maximum von 2 <strong>PV</strong>U. Sechs Stunden vor dem Zeitpunkt <strong>der</strong> maximalen Intensität<br />
zeigt sich ein <strong>PV</strong>-Tower mit einem Sprung unter 1 <strong>PV</strong>U auf 900 hPa und mehr<br />
<strong>PV</strong> Anomalien verteilt durch die Troposphäre. Die Tropopause nahm von diesem Zeitpunkt<br />
bis zur Stunde des minimalen Bodendruckes nicht weiter ab. Das Profil zeigt am<br />
26. Dezember 12 UTC ebenfalls einen <strong>PV</strong>-Tower mit <strong>PV</strong>-Werte unter 1 <strong>PV</strong>U zwischen<br />
400 und 550 hPa. Die Profile des Sturms Lothar zeigen somit ebenfalls keinen absolut<br />
durch die ganze Troposphäre durchgehenden ’<strong>PV</strong> tower’ . Man kann auch hier darauf<br />
schliessen, dass die <strong>PV</strong>-Anomalien nicht perfekt übereinan<strong>der</strong> liegen, so dass sich zum<br />
Zeitpunkt des tiefsten SLPs im <strong>Zyklonen</strong>zentrum Werte unter 1 <strong>PV</strong>U finden.<br />
Quimburga<br />
Der Sturm Quimburga zeigt von allen fünf <strong>Zyklonen</strong> die schwächste Intensivierung auf.<br />
Für die <strong>Analyse</strong> wurde <strong>der</strong> Zeitraum vom 20. November 00 UTC bis 21. November 00<br />
UTC betrachtet.<br />
Die Druckabnahme betrug hier 13 hPa in 24 Stunden. Am 21. November 00 UTC erreichte<br />
<strong>der</strong> Sturm seinen minimalen Druck von 970.14 hPa. Das <strong>PV</strong>-Profil vom 20. November<br />
00 UTC zeigt eine <strong>PV</strong>-Anomalie in <strong>der</strong> unteren Troposphäre mit einem Maximum von<br />
17
4.2 <strong>Analyse</strong> <strong>der</strong> <strong>vertikalen</strong> <strong>PV</strong>-Profile 4 RESULTATE UND DISKUSSION<br />
näherungsweise 1.3 <strong>PV</strong>U auf 860 hPa. Ab 700 hPa erreicht das Profil einen klimatologischen<br />
Normalwert von 0.5 <strong>PV</strong>U und weist zwischen 650 und 300 hPa ein Gebiet mit<br />
tiefen <strong>PV</strong>U Werten auf (< 0.5 <strong>PV</strong>U). Die dynamische Tropopause befand sich 24 Stunden<br />
vor dem Zeitpunkt <strong>der</strong> maximalen Intensität auf ca. 290 hPa, sank innerhalb 12<br />
Stunden weiter auf 350 hPa und erreichte am 21. November 00 UTC eine Höhe von 480<br />
hPa. Im Vergleich zu den vorhergehenden zwei <strong>Zyklonen</strong>, zeigt sich im Profil des Sturms<br />
Quimburga zum Zeitpunkt des minimalen SLPs ein ’<strong>PV</strong> tower’. Bereits 12 Stunden vor<br />
dem Zeitpunkt maximaler Intensität war dieser ’tower’ beinahe durchgehend ausgebildet.<br />
(a)<br />
(b)<br />
Abbildung 4.5: <strong>PV</strong>-Profile <strong>der</strong> Zyklone Quimburga mit dem minimalen Bodendruck von<br />
970.14 hPa zwischen 950 und 200 hPa. Die Abbildung a) zeigt die Zeitpunkte <strong>der</strong> maximalen<br />
Intensität und 12 bzw. 24 Stunden davor. Die schwarze Kurve zeigt das Profil zum Zeitpunkt<br />
des minimalen Bodendrucks am 21. November 00 UTC, die rote Kurve ist das Profil am<br />
20. November 12 UTC und die gelbe Kurve am 20. Dezember 00 UTC. Abbildung b) zeigt<br />
zusätzlich die Zeitschritte 6 (blau) und 18 Stunden (orange) vor dem minimalen Bodendruck.<br />
Auch bei <strong>der</strong> Zyklone Quimburga zeigt sich sechs Stunden vor <strong>der</strong> maximalen Intensität<br />
ein interessantes <strong>PV</strong>-Profil. Zu diesem Zeitpunkt zeigte die <strong>PV</strong>-Anomalie in <strong>der</strong><br />
unteren Troposphäre einen Maximalwert von 2.2 <strong>PV</strong>U. Das Profil zeigt einen starken<br />
Sprung (1.1 <strong>PV</strong>U) auf 925 hPa und in einer Höhe von 950 hPa liegt <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Wert auf<br />
2.5 hPa. Ab 875 hPa nimmt <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Wert ab bis auf ca. 1 <strong>PV</strong>U auf 600 hPa.<br />
Kyrill<br />
Wie schon im Kapitel 4.1 erwähnt, zeigen sich in <strong>der</strong> Abbildung 4.1 zwei Druckminima<br />
im Zentrum <strong>der</strong> Zyklone. Für die <strong>Analyse</strong> wurde das Druckminimum <strong>der</strong> Zyklone Kyrill<br />
I gewählt, da sich in Kyrill I die eigentliche Intensivierungsphase abgespielt hat. Somit<br />
werden im folgenden Abschnitt die <strong>PV</strong>-Profile vom 17. Januar 18 UTC, und die <strong>der</strong><br />
Zeitpunkte 12 und 24 Stunden davor betrachtet. Der minimale SLP ist in diesem Fall<br />
964.17 hPa.<br />
18
4.2 <strong>Analyse</strong> <strong>der</strong> <strong>vertikalen</strong> <strong>PV</strong>-Profile 4 RESULTATE UND DISKUSSION<br />
Datum und Zeit geogr. Breite geogr. Länge<br />
16.01.2007 18 UTC 54.75° W 46.5° N<br />
17.01.2007 00 UTC 47.25° W 48° N<br />
17.01.2007 06 UTC 40.5° W 50.25° N<br />
17.01.2007 12 UTC 36° W 51.75° N<br />
17.01.2007 18 UTC 32.25° W 53.25° N<br />
Tabelle 4.2: Ausschnitt aus dem Tracking des Sturms Kyrill<br />
Wird die Druckentwicklung zusammen mit den Koordinaten und Zeitschritten betrachtet<br />
(siehe Tabelle C.1), fällt auf, wie schnell sich <strong>der</strong> Sturm Kyrill Richtung Kontinent<br />
bewegt hat. In sechs Stunden bewegte er sich um ca. 6° nach Osten und sank am<br />
16. Januar 18 UTC in nur 24 Stunden von 991.12 hPa auf 964.17 hPa.<br />
Wie bereits Daria, Lothar und Quimburga, zeigen die Profile eine vertikal durchgehende<br />
Zunahme <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Werte mit <strong>der</strong> Zeit und eine Absenkung <strong>der</strong> Tropopause bis<br />
zum Zeitpunkt <strong>der</strong> maximalen Intensität. Ein Tag davor zeigt das Profil in <strong>der</strong> unteren<br />
Troposphäre bereits <strong>PV</strong>-Werte im Bereich von 1 <strong>PV</strong>U, nimmt in einer Höhe von ca. 700<br />
hPa einen Normalwert von ca. 0.5 <strong>PV</strong>U ein und weist auf 280 hPa Höhe die Tropopause<br />
auf. 12 Stunden vor dem minimalen SLP beginnt das Profil bei ca. 0 <strong>PV</strong>U auf 950 hPa<br />
und weist bereits auf 850 hPa eine positive <strong>PV</strong>-Anomalie auf. Bis auf 500 hPa Höhe liegt<br />
<strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Wert zwischen 1 und 1.3 <strong>PV</strong>U. Kyrill hat zum Zeitpunkt <strong>der</strong> maximalen Intensität<br />
auf ca. 850 hPa eine diabatisch produzierte <strong>PV</strong>-Anomalie mit einem Maximum<br />
von 1.1 <strong>PV</strong>U. Zu diesem Zeitpunkt liegt die dynamische Tropopause auf ca. 500 hPa.<br />
Innerhalb <strong>der</strong> analysierten 24 Stunden hat die Tropopause stark an Höhe abgenommen,<br />
in 12 Stunden von etwa 220 hPa auf 300 hPa und weitere 12 Stunden später bis auf 500<br />
hPa. Das entspricht einer Höhenabnahme von fast 300 hPa in 24 Stunden.<br />
Abbildung 4.6: <strong>PV</strong>-Profil <strong>der</strong> Zyklone Kyrill mit dem minimalen Druck von 964.17 hPa<br />
zwischen 950 und 200 hPa. Die schwarze Kurve zeigt das Profil zum Zeitpunkt des minimalen<br />
Bodendrucks am 17. Januar 18 UTC, die rote Kurve ist das Profil am 17. Januar 06 UTC und<br />
dir rote Kurve am 16. Januar 18 UTC.<br />
19
4.2 <strong>Analyse</strong> <strong>der</strong> <strong>vertikalen</strong> <strong>PV</strong>-Profile 4 RESULTATE UND DISKUSSION<br />
Xynthia<br />
Der Sturm Xynthia wurde im Zeitraum vom 27. Februar 00 UTC bis am 28. Februar 00<br />
UTC betrachtet. Die Druckabnahme betrug ca. 18 hPa in 24 Stunden. Ein Tag vor dem<br />
Zeitpunkt <strong>der</strong> maximalen Intensität betrug <strong>der</strong> zentrale SLP 986.21 hPa und es zeigte<br />
sich bereits eine <strong>PV</strong>-Anomalie in <strong>der</strong> unteren Troposphäre mit einem Maximum von 1.3<br />
<strong>PV</strong>U auf 820 hPa. In einer Höhe von 920 hPa erreicht das Profil einen Wert von 1 <strong>PV</strong>U.<br />
Zwischen 650 und 300 hPa lag <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Wert zwischen 0.5 und 1 <strong>PV</strong>U. Die dynamische<br />
Tropopause befand sich zu diesem Zeitpunkt auf einer Höhe von schätzungsweise 260 hPa<br />
und sank im Laufe <strong>der</strong> Intensivierung nur noch ca. 70 hPa. Zwischen dem 27. Februar 12<br />
UTC und 28. Februar 00 UTC blieb die Tropopause annähernd auf <strong>der</strong> gleichen Höhe.<br />
Die <strong>PV</strong>-Werte <strong>der</strong> bereits am 27. Februar 00 UTC sichtbaren Anomalie in <strong>der</strong> unteren<br />
Troposphäre nehmen im Laufe <strong>der</strong> Zeit zu. Betrug ihr Maximum 12 Stunden vor <strong>der</strong><br />
maximalen Intensität noch 1.4 <strong>PV</strong>U, sind es am 28. Februar 00 UTC 1.8 <strong>PV</strong>U. Zum<br />
Zeitpunkt <strong>der</strong> maximalen Intensität lag <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Wert fast durchgehend über 1 <strong>PV</strong>U.<br />
Auf einer Höhe von 500 bis 360 hPa befand sich <strong>der</strong> Wert jedoch zwischen 0.5 und<br />
1 <strong>PV</strong>U. Somit zeigt sich auch bei <strong>der</strong> Zyklone Xynthia kein ausgeprägter <strong>PV</strong>-tower.<br />
Wie schon bei den vorhergehenden Stürmen kann daraus geschlossen werden, dass die<br />
stratosphärische Intrusion nicht perfekt über dem <strong>Zyklonen</strong>zentrum lag.<br />
Abbildung 4.7: <strong>PV</strong>-Profil <strong>der</strong> Zyklone Xynthia mit dem minimalen Druck von 964.17 hPa<br />
zwischen 950 und 200 hPa. Die schwarze Kurve zeigt das Profil zum Zeitpunkt des minimalen<br />
Bodendrucks am 17. Januar 18 UTC, die rote Kurve ist das Profil am 17. Januar 06 UTC und<br />
dir rote Kurve am 16. Januar 18 UTC.<br />
Vergleicht man die Profile <strong>der</strong> einzelnen Stürme untereinan<strong>der</strong> wird die charakteristische<br />
Entwicklung <strong>der</strong> potentiellen Vorticity in <strong>der</strong> Troposphäre ersichtlich. Vier <strong>der</strong><br />
fünf analysierten Stürme wiesen im Laufe <strong>der</strong> Intensivierungsphase eine Zunahme <strong>der</strong><br />
<strong>PV</strong>-Werte 11 und eine Senkung <strong>der</strong> Tropopause auf. Einzig die Zyklone Daria zeigte eine<br />
anomale Entwicklung; die <strong>PV</strong>-Werte in <strong>der</strong> oberen Troposphäre nahmen im Zeitpunkt<br />
<strong>der</strong> maximalen Intensität ab und die Tropopause stieg im letzten Zeitschritt an.<br />
11 durchgehend durch die ganze Troposphäre<br />
20
4.2 <strong>Analyse</strong> <strong>der</strong> <strong>vertikalen</strong> <strong>PV</strong>-Profile 4 RESULTATE UND DISKUSSION<br />
Die Zunahme <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Werte, wie auch die Höhenabnahme <strong>der</strong> Tropopause ist in jeden<br />
Sturm ersichtlich; jedoch unterschiedlich ausgeprägt. Je<strong>der</strong> <strong>der</strong> fünf analysierten Stürme<br />
wies zum Zeitpunkt <strong>der</strong> maximalen Intensität einen annähernd o<strong>der</strong> ganz ausgeprägten<br />
’<strong>PV</strong> tower’ auf. Lediglich die vertikale Anordnung <strong>der</strong> unterschiedlichen <strong>PV</strong>-Anomalien<br />
ist in jedem Sturm an<strong>der</strong>s. Dies lässt sich dadurch erklären, dass sich die stratosphärische<br />
Intrusion oft nicht direkt über den <strong>PV</strong>-Anomalien in <strong>der</strong> unteren und mittleren<br />
Troposphäre befindet.<br />
Der Sturm Kyrill zeigt die typische Entwicklung eines <strong>PV</strong>-Profils am besten. Die Tropopause<br />
nimmt in jedem Zeitschritt kontinuierlich an Höhe ab; von anfangs ca. 220 hPa<br />
bis auf 500 hPa und in <strong>der</strong> unteren Troposphäre bildet sich diabatisch eine <strong>PV</strong>-Anomalie,<br />
<strong>der</strong>en <strong>PV</strong>-Wert mit <strong>der</strong> Zeit zunimmt.<br />
In den aus fünf Profilen bestehenden Abbildungen auf Seite 20 zeigt sich auch für die<br />
Stürme Lothar und Quimburga dieser typische Verlauf mit kleinen Abweichungen. Nur<br />
Daria weicht von <strong>der</strong> typischen Entwicklung ab. Das Profil des Sturmes Daria nahm<br />
schon 24 Stunden vor <strong>der</strong> maximalen Intensität hohe Werte von 1 <strong>PV</strong>U ein und bildete<br />
bereits 24 Stunden vor dem minimalen Druck annähernd ein <strong>PV</strong>-Tower. In den folgenden<br />
zwei Zeitschritten entwickelte sich eine positive <strong>PV</strong>-Anomalie in <strong>der</strong> unteren Troposphäre,<br />
welche mit <strong>der</strong> Zeit an Höhe abnahm und ein Maximum von 1.8 <strong>PV</strong>U erreichte. Die<br />
Tropopause nahm anfangs noch an Höhe ab, lag jedoch zum Zeitpunkt <strong>der</strong> maximalen<br />
Intensität beinahe auf gleicher Höhe wie ein Tag zuvor. Wie schon im Abschnitt zum<br />
Sturm Daria erwähnt, zeigt sich diese anomale Entwicklung des <strong>PV</strong>-Profils aufgrund <strong>der</strong><br />
<strong>vertikalen</strong> Anordnung <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Anomalien.<br />
Werden die Abbildungen mit den fünf Profilkurven auf Seite 22 betrachtet, wird ersichtlich,<br />
dass je<strong>der</strong> Sturm sehr individuelle Entwicklungen <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Profile aufzeigt. Wie<br />
oben bereits erwähnt, zeigt <strong>der</strong> Sturm Kyrill in diesem Fall eine Entwicklung beinahe<br />
wie aus dem Lehrbuch. Die <strong>PV</strong>-Werte <strong>der</strong> weiteren vier Stürme sind variabler.<br />
21
4.2 <strong>Analyse</strong> <strong>der</strong> <strong>vertikalen</strong> <strong>PV</strong>-Profile 4 RESULTATE UND DISKUSSION<br />
(a) Daria<br />
(b) Lothar<br />
(c) Quimburga<br />
(d) Kyrill<br />
(e) Xynthia<br />
Abbildung 4.8: Vertikale <strong>PV</strong>-Profile <strong>der</strong> fünf ausgewählten Stürmen von 950 bis 200 hPa mit<br />
fünf Zeitschritten für den Vergleich (Werte in <strong>PV</strong>U), für a) Daria, b) Lothar, c) Quimburga,<br />
d) Kyrill und e) Xynthia. Die schwarze Kurve zeigt jeweils das Profil zum Zeitpunkt <strong>der</strong><br />
maximalen Intensität, die blaue Kurve 6 Stunden davor, die rote Kurve ist zum 12 Stunden<br />
früheren Zeitpunkt, die orange Kurve 18 Stunden davor und die gelbe Kurve nochmals 12<br />
Stunden früher.<br />
22
4.3 Vergleich mit Grafiken aus dem IWAL 4 RESULTATE UND DISKUSSION<br />
4.3. Vergleich mit Grafiken aus dem IWAL<br />
Für dieses Kapitel wurden interessante <strong>PV</strong>-Profile mit Abbildungen aus dem IWAL<br />
verglichen. Bei <strong>der</strong> Betrachtung <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Profile <strong>der</strong> einzelnen Stürme fielen einige aussergewöhnliche<br />
Entwicklungen des <strong>PV</strong>-Wertes auf. Beson<strong>der</strong>s das Profil sechs Stunden<br />
vor und sechs Stunden nach <strong>der</strong> maximalen Intensität wich oft von <strong>der</strong> typischen <strong>PV</strong>-<br />
Entwicklung einer Zyklone ab.<br />
In diesem Abschnitt wird nun zu Beginn die schnelle Entwicklung und kurze Lebenszeit<br />
<strong>der</strong> Sturms Lothar mithilfe von Abbildungen aus dem IWAL betrachtet und<br />
anschliessend noch das interessante <strong>PV</strong>-Profil <strong>der</strong> Zyklone Xynthia sechs Stunden nach<br />
<strong>der</strong> maximalen Intensität diskutiert und mit IWAL-Abbildungen verglichen.<br />
(a) 25. Dez. 12 UTC<br />
(b) 25. Dez. 18 UTC<br />
(c) 26. Dez. 00 UTC<br />
(d) 26. Dez. 06 UTC<br />
(e) 26. Dez. 12 UTC<br />
Abbildung 4.9: Süd/Nordschnitt aus dem IWAL des Sturms Lothar zwischen 1000 und 150<br />
hPa vom 25. Dezember 12 UTC bis am 26. Dezember 12 UTC.<br />
23
4.3 Vergleich mit Grafiken aus dem IWAL 4 RESULTATE UND DISKUSSION<br />
Wie schon im <strong>PV</strong>-Profil des Sturms Lothar wird in den Abbildungen 4.9a)-e) ersichtlich,<br />
wie die <strong>PV</strong>-Anomalie in <strong>der</strong> unteren Troposphäre in jedem Zeitschritt vertikal<br />
wie auch horizontal zunimmt und sich erst sechs Stunden vor <strong>der</strong> maximalen Intensität<br />
eine ausgeprägte stratosphärische Intrusion in <strong>der</strong> oberen Troposphäre ausbildet. Abbildung<br />
4.9e) zeigt nun auch, dass die stratosphärische Intrusion am 26. Dezember 12<br />
UTC südlich vom Zentrum und somit nicht direkt über <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Anomalie in <strong>der</strong> unteren<br />
Troposphäre liegt. Die Abbildung 4.9 zeigt am 26. Dezember 06 UTC vertikal übereinan<strong>der</strong>liegende<br />
<strong>PV</strong>-Anomalien mit <strong>PV</strong>-Werte über 1 <strong>PV</strong>U. Es zeigt sich somit schon sechs<br />
Stunden vor <strong>der</strong> maximalen Intensität ein ’<strong>PV</strong> tower’. Weiteres dazu im Abschnitt 4.4.1.<br />
(a)<br />
(b)<br />
Abbildung 4.10: a) <strong>PV</strong>-Profil <strong>der</strong> Zyklone Xynthia zwischen 950 und 200 hPa. Die schwarze<br />
Kurve zeigt das Profil zum Zeitpunkt des minimalen Bodendrucks am 28. Februar 00 UTC,<br />
die rote Kurve ist das Profil am 27. Februar 12 UTC, die gelbe Kurve am 27. Februar 00 UTC<br />
und die grüne Kurve am 28. Februar 06 UTC. b) zeigt für die gleichen Zeitpunkte wie a) die<br />
Werte <strong>der</strong> relativen Feuchte.<br />
Der Sturm Xynthia zeigte sechs Stunden nach <strong>der</strong> maximalen Intensität ein interessantes<br />
<strong>PV</strong>-Profil mit vielen Sprüngen auf. Abbildung 4.10a) zeigt die drei bereits besprochenen<br />
Profile und zusätzlich noch das Profil sechs Stunden nach dem Zeitpunkt<br />
<strong>der</strong> maximalen Intensität. Dieses Profil zeigt sehr viele Sprünge auf, mit einem <strong>PV</strong>-<br />
Minimum von 0.2 <strong>PV</strong>U auf 850 hPa und Maxima von 2.8 <strong>PV</strong>U auf 700 hPa und 1.9<br />
<strong>PV</strong>U auf 900 hPa. Diese <strong>PV</strong>-Anomalien sind auch in <strong>der</strong> IWAL-Abbildung 4.11a) gut<br />
sichtbar. Abbildungen 4.10b) und 4.11b) zeigen für die gleiche Zeit und den gleichen<br />
<strong>vertikalen</strong> Querschnitt die Werte <strong>der</strong> relativen Luftfeuchtigkeit.<br />
Das Profil <strong>der</strong> relativen Feuchte zeigt in einer Höhe von ca. 820 bis 720 hPa einen Wert<br />
von etwa 95 %. Im <strong>vertikalen</strong> Querschnitt aus dem IWAL ist jedoch ersichtlich, dass<br />
die starke Anomalie auf 700 hPa keine diabatisch erzeugte positive <strong>PV</strong>-Anomalie ist, da<br />
die Luft dort nur eine relative Feuchte von ca. 30% erreicht. Die Abbildung 4.11 zeigt<br />
trockene Luft bis tief hinab in die mittlere Troposphäre. Somit ist die stark positive<br />
<strong>PV</strong>-Anomalie auf 700 hPa Höhe Teil <strong>der</strong> stratosphärischen Intrusion. Die weitere positive<br />
<strong>PV</strong>-Anomalie auf 900 hPa zeigt sich in <strong>der</strong> gleichen Abbildung auch als trockenes<br />
24
4.3 Vergleich mit Grafiken aus dem IWAL 4 RESULTATE UND DISKUSSION<br />
Luftpaket, welches sich möglicherweise von <strong>der</strong> starken stratosphärischen Intrusion abgetrennt<br />
hat.<br />
(a)<br />
(b)<br />
Abbildung 4.11: Potentielle Vorticity (a) und relative Feuchte (b) in einem <strong>vertikalen</strong> Querschnitt<br />
entlang 0° W von 45° N bis 55° N am 28. Februar, 06 UTC.<br />
Nördlich von <strong>der</strong> stratosphärischen Intrusion zeigt sich in Abbildung 4.11 eine Aufstiegsregion<br />
mit einer hohen relativen Feuchte, die mit diabatischen Prozessen <strong>PV</strong>-Werte<br />
zwischen 0.5 und 2 <strong>PV</strong>U erzeugt hat.<br />
25
4.4 Vergleich mit früheren Studien 4 RESULTATE UND DISKUSSION<br />
4.4. Vergleich mit früheren Studien<br />
4.4.1. Lothar<br />
In diesem Abschnitt werden die erhaltenen Resultate aus den <strong>PV</strong>-Profilen und den<br />
IWAL-Bil<strong>der</strong>n zum Sturm Lothar mit dem Paper "Dynamical aspects of the life cycle<br />
of the winter storm ’Lothar’ (24. - 26. December 1999)"von Wernli et al. (2002)<br />
verglichen.<br />
Im Abschnitt 4.2 wurde das <strong>PV</strong>-Profil des Sturms Lothar analysiert. Dabei zeigte<br />
das Profil eine typische Entwicklung in <strong>der</strong> oberen Troposphäre mit einer Absenkung<br />
<strong>der</strong> Tropopause und eine Zunahme <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Anomalie in <strong>der</strong> unteren Troposphäre und<br />
eine allgemeine Zunahme des <strong>PV</strong>-Wertes mit <strong>der</strong> Zeit. Die <strong>PV</strong>-Anomalie in <strong>der</strong> unteren<br />
Troposphäre nahm zum Zeitpunkt <strong>der</strong> maximalen Intensität ein Maximum von ca. 1.8<br />
<strong>PV</strong>U ein. Sechs Stunden vor dem minimalen Bodendruck (Abb. 4.4)b) zeigten sich im<br />
Profil einige Abweichungen von <strong>der</strong> typischen Entwicklung. In einer Höhe von 925 hPa<br />
zeigte sich beispielsweise ein Maximum von 2 <strong>PV</strong>U, welches zum Zeitpunkt <strong>der</strong> maximalen<br />
Intensität wie<strong>der</strong> abnahm. Mit Hilfe <strong>der</strong> IWAL Abbildung wurde ersichtlich, dass<br />
zu diesem Zeitpunkt, am 26. Dezember 06 UTC, <strong>der</strong> ’<strong>PV</strong> tower’ ausgeprägter war als<br />
zum hier ermittelten Zeitpunkt <strong>der</strong> maximalen Intensität.<br />
Abbildung 4.12: Entwicklung des minimalen Druckes im Zentrum <strong>der</strong> Zyklone Lothar aus<br />
Beobachtungen (DWD), <strong>Analyse</strong>n des ECMWF’s und HRM Simulationen. Entnommen aus<br />
’Dynamical aspects of the life cycle of the winter storm ’Lothar’ (24.-26. December 1999) aus<br />
Wernli et al. (2002).<br />
Der Grund dafür findet sich in <strong>der</strong> Abbildung 4.12. Im Vergleich zu den in dieser Arbeit<br />
gebrauchten Daten, zeigt sich dort das Minimum des Bodendruckes am 26. Dezember<br />
06 UTC. Aus den verschiedenen Resultaten und Abbildungen lässt sich schliessen, dass<br />
<strong>der</strong> ’<strong>PV</strong>-tower’ <strong>der</strong> Zyklone Lothar am 26. Dezember 06 UTC am stärksten ausgeprägt<br />
26
4.4 Vergleich mit früheren Studien 4 RESULTATE UND DISKUSSION<br />
war; es zeigten sich jedoch Minima im <strong>PV</strong>-Wert in <strong>der</strong> oberen Tropopause im <strong>PV</strong>-Profil.<br />
In <strong>der</strong> IWAL Abbildung 4.9 wird ersichtlich, dass die stratosphärische Intrusion südlich<br />
vom <strong>Zyklonen</strong>zentrum liegt und sich darum nicht im Profil zeigt.<br />
In <strong>der</strong> Studie von Wernli et al. (2002) wird die in den IWAL Abbildungen auf Seite 23<br />
gezeigte Entwicklung <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Anomalien genauer besprochen: Der Sturm Lothar zeigt<br />
eine extrem schnelle ’bottom-up’ Intensivierung, bei welcher durch diabatisches Heizen<br />
eine positive <strong>PV</strong>-Anomalie in <strong>der</strong> unteren Troposphäre gebildet wird, die wie<strong>der</strong>um die<br />
Bildung einer stratosphärischen Intrusion anregt.<br />
Über den Einfluss diabatischer Prozesse auf die Entwicklung und Intensivierung von<br />
<strong>Zyklonen</strong> ist man sich oft nicht einig. Für den Sturm Lothar waren die diabatischen<br />
Prozesse jedoch von grosser Wichtigkeit. Sie haben den Sturm verstärkt und die ganze<br />
Intensivierung bestimmt. Lothar zeigte einen diabatischen Rossby-Wellen-Charakter<br />
(Wernli et al. 2002). Bei einer solchen Rossby-Welle beginnt die Entwicklung mit einer<br />
positiven <strong>PV</strong>-Anomalie in <strong>der</strong> unteren Troposphäre, die sich in einer stark baroklinen<br />
Zone befindet. Dies bedeutet, dass sich ein starker Temperaturgradient von Nord nach<br />
Süd in den mittleren Breiten befindet. Positive thermische Advektion östlich <strong>der</strong> positiven<br />
<strong>PV</strong>-Anomalie führt zu einer Hebung <strong>der</strong> warmen und feuchten Luft von Süden.<br />
Beim Aufstieg kühlt sich die feuchte Luft ab und es kommt zur Kondensation des Wasserdampfes.<br />
Dadurch wird stetig mehr positive <strong>PV</strong> erzeugt und <strong>der</strong> ganze Mechanismus<br />
führt dazu, dass kontinuierlich östlich <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Anomalie neue <strong>PV</strong> generiert wird und die<br />
<strong>PV</strong>-Anomalie ostwärts propagiert, in Richtung des thermischen Windes (Wernli et al.,<br />
2002).<br />
4.4.2. Kyrill<br />
Wie im vorhergehenden Abschnitt werden auch hier die Resultate zum Sturm Kyrill mit<br />
einer früheren Studie verglichen. Es handelt sich dabei um das Paper: "The European<br />
storm Kyrill in January 2007: synoptic evolution, meteorological impact and some consi<strong>der</strong>ations<br />
with respect to climate change"von Fink et al. (2009).<br />
Im Kapitel 4.2 zeigte das Profil <strong>der</strong> Zyklone Kyrill eine Zunahme des <strong>PV</strong>-Wertes in<br />
<strong>der</strong> unteren Troposphäre und eine starke Senkung <strong>der</strong> dynamischen Tropopause. Im Vergleich<br />
zu den an<strong>der</strong>en vier analysierte Stürme zeigt Kyrill die schwächste <strong>PV</strong>-Anomalie<br />
in <strong>der</strong> unteren Troposphäre, ausserdem nimmt <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Wert <strong>der</strong> Anomalie im letzten<br />
Zeitschritt zwischen dem 17. Januar 12 UTC und dem 17. Januar 18 UTC ab. Die dynamische<br />
Tropopause hingegen nimmt im Vergleich zu den weiteren vier Stürme am<br />
stärksten an Höhe ab. Abbildung 4.8 d) auf Seite 22 zeigt die Entwicklung vom 16.<br />
Januar 18 UTC bis am 17. Januar 18 UTC.<br />
Fink et al. (2009) beschrieben die synoptische Entwicklung und die meteorologischen<br />
Auswirkungen <strong>der</strong> Zyklone Kyrill:<br />
Die explosive Intensivierung, die Kyrill über dem Nordatlantiks aufzeigte, resultierte aus<br />
<strong>der</strong> Überquerung eines starken polaren Jetstreams. Verschiedene vorteilhafte meteorologische<br />
Bedingungen westlich <strong>der</strong> britischen Inseln führten zu einer weiteren Vertiefung<br />
des Druckes im Sturmkern kurz vor dem Erreichen Westeuropas. Der minimale Boden-<br />
27
4.4 Vergleich mit früheren Studien 4 RESULTATE UND DISKUSSION<br />
druck im Kern des Sturmes blieb über eine lange Zeit zwischen 962 und 968 hPa (siehe<br />
Trackingtabelle im Anhang). Fink et al. wiesen diese Konstanz im Druck <strong>der</strong> vorteilhaften<br />
Ausrichtung drei verschiedener Jetstreaks und einer stratosphärischen Intrusion aus<br />
trockener Luft zu.<br />
Die Zeit um den Dezember 2006 und Januar 2007 war geprägt durch viele aufeinan<strong>der</strong>folgende<br />
intensive Stürme über dem Nordatlantik und Europa. Diese Stürme wurden<br />
durch einen starken, zonal ausgerichteten Temperaturgradienten begünstigt. Wie bereits<br />
im Voraus schon erwähnt, setzte sich <strong>der</strong> Sturm Kyrill aus den beiden <strong>Zyklonen</strong> Kyrill<br />
I und Kyrill II zusammen 12 . Die starke Höhenabnahme <strong>der</strong> Tropopause in <strong>der</strong> Intesivierungsphase<br />
von Kyrill I war ein Grund für die langsame Abschwächung Kyrills. Das<br />
Vorhandensein dieser trockenen Intrusion verzögerte die Abschwächung des Sturms. Die<br />
im <strong>PV</strong>-Profil sichtbare tiefe dynamische Tropopause (stratosphärische Intrusion) am 17.<br />
Januar 18 UTC lag sechs Stunden später am 18. Januar 00 UTC über dem Zentrum<br />
<strong>der</strong> Zyklone Kyrill II. Diese Intrusion trockener Luft in <strong>der</strong> oberen Troposphäre bewegte<br />
sich in <strong>der</strong> folgenden Zeit in Richtung <strong>der</strong> Kaltfront <strong>der</strong> Zyklone Kyrill II und verstärkte<br />
dabei die konvektive Instabilität (Fink et al. 2009).<br />
12 In den IWAL-Abbildungen (siehe Abb. B.1 im Anhang) vom 17. Januar 06 UTC bis am 18. Januar<br />
06 UTC ist die Trennung von <strong>der</strong> Zyklone Kyrill II von <strong>der</strong> Zyklone Kyrill I ersichtlich.<br />
28
4.5 Diskussion 4 RESULTATE UND DISKUSSION<br />
4.5. Diskussion<br />
Um ein besseres Verständnis für die vertikale <strong>Struktur</strong> <strong>extratropischer</strong> <strong>Zyklonen</strong> zu erhalten,<br />
wurde in dieser Arbeit die Entwicklung des <strong>PV</strong>-Profils von fünf unterschiedlichen<br />
Stürmen analysiert. Bislang wurde die vertikale <strong>PV</strong>-<strong>Struktur</strong> eines Sturmes wenig untersucht;<br />
Campa and Wernli (2012) haben z. B. mithilfe <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Profile analysiert, ob es<br />
Unterschiede in <strong>der</strong> <strong>vertikalen</strong> <strong>Struktur</strong> zwischen schwachen und starken extratropischen<br />
<strong>Zyklonen</strong> bzw. zwischen <strong>Zyklonen</strong> in verschiedenen Regionen gibt und wie sich das <strong>PV</strong>-<br />
Profil während <strong>der</strong> Intensivierungsphase entwickelt. Diese Bachelorarbeit hat letztere<br />
Fragestellung aufgegriffen und nebst <strong>der</strong> typischen Entwicklung des <strong>PV</strong>-Profils, die Profile<br />
unterschiedlicher <strong>Zyklonen</strong> miteinan<strong>der</strong> verglichen. Auf die Fragen in <strong>der</strong> Einleitung<br />
zurückgreifend, lässt sich folgendes sagen:<br />
i) Alle fünf untersuchten Stürme wiesen eine vergleichbare Entwicklung <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-<br />
Profile auf, wobei grössere Abweichungen wie beispielsweise bei <strong>der</strong> Zyklone Daria<br />
auf Verschiebungen in <strong>der</strong> Vertikalen <strong>der</strong> unterschiedlichen <strong>PV</strong>-Anomalien zu schliessen<br />
sind. Die positive <strong>PV</strong>-Anomalie in <strong>der</strong> unteren Troposphäre, die in stärkeren<br />
Stürmen höhere <strong>PV</strong>-Werte erreicht (Campa and Wernli 2012), lag bei allen Stürmen<br />
auf ca. 800 hPa mit einem Maximum von etwa 1.8 <strong>PV</strong>U. Nur bei <strong>der</strong> Zyklone<br />
Kyrill zeigt sich eine schwächere diabatisch gebildete <strong>PV</strong>-Anomalie mit einem maximalen<br />
Wert von ca. 1 <strong>PV</strong>U.<br />
Es lässt sich somit sagen, dass es innerhalb <strong>der</strong> typischen <strong>Struktur</strong> <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Profile<br />
keine grossen Unterschiede gibt. Kleine Unterschiede liegen in <strong>der</strong> Genauigkeit <strong>der</strong><br />
<strong>vertikalen</strong> Anordnung <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Anomalien und beson<strong>der</strong>s in <strong>der</strong> Entwicklung <strong>der</strong><br />
stratosphärischen Intrusion. Die Senkung <strong>der</strong> Tropopause zeigt sich in jedem Sturm<br />
etwas an<strong>der</strong>s; dies kann unter an<strong>der</strong>em an <strong>der</strong> Anordnung <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Anomalien über<br />
dem Sturmzentrum liegen. Die dynamische Tropopause <strong>der</strong> Zyklone Kyrill sank<br />
beispielsweise annähernd 300 hPa in 24 Stunden, während die Tropopause <strong>der</strong><br />
Zyklone Xynthia nur 70 hPa sank.<br />
ii) Bezüglich des ’<strong>PV</strong> towers’ zeigte sich in den Profilen <strong>der</strong> Zeitpunkte maximaler Intensität<br />
für Kyrill, Lothar 13 und Quimburga durchgehend durch die Troposphäre<br />
ein Wert über 1 <strong>PV</strong>U. Die Stürme Daria und Xynthia wiesen in <strong>der</strong> oberen Troposphäre<br />
Werte unter 1 <strong>PV</strong>U auf, dies verweist auf eine fehlende stratosphärische<br />
Intrusion direkt über dem Sturmzentrum.<br />
iii Dadurch dass alle fünf gewählten Stürme zur Kategorie <strong>der</strong> intensiven Stürmen<br />
gehören, wurde ersichtlich wie wichtig die diabatischen Prozesse für eine rapide<br />
Entwicklung einer Zyklone sind. Es zeigte sich in allen Entwicklungen <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-<br />
Profile eine starke Zunahme des <strong>PV</strong>-Wertes in <strong>der</strong> unteren Troposphäre; <strong>der</strong> Wert<br />
stieg jeweils bis annähernd 2 <strong>PV</strong>U. Dies weist auf ausgeprägte Kondensationsprozesse<br />
hin.<br />
iv) Da alle fünf Stürme eine ähnlich starke Intensivierung durchliefen und sich ihr minimaler<br />
Bodendruck im Sturmkern zwischen 950 und 980 hPa befand zeigten die<br />
13 am 26. Dezember 06 UTC<br />
29
4.5 Diskussion 4 RESULTATE UND DISKUSSION<br />
hier analysierten Stürme ähnliche <strong>Struktur</strong>en in <strong>der</strong> Entwicklung <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-<strong>Struktur</strong><br />
und in etwa die gleichen maximalen <strong>PV</strong>-Werte in den diabatisch gebildeten <strong>PV</strong>-<br />
Anomalien in <strong>der</strong> unteren Troposphäre. Dieses Resultat deckt sich mit den Resultaten<br />
aus Campa and Wernli (2012). Sie zeigten in ihrer Studie über die vertikale<br />
<strong>Struktur</strong> <strong>extratropischer</strong> <strong>Zyklonen</strong> in <strong>der</strong> Nordhemisphäre, dass Stürme mit einem<br />
minimalen Bodendruck zwischen 930 und 970 hPa im Zentrum <strong>der</strong> Zyklone<br />
ausgeprägtere <strong>PV</strong>-Anomalien aufweist, als jene <strong>Zyklonen</strong> mit einem minimalen Bodendruck<br />
zwischen 990 und 1010 hPa. Abbildung 4.13 zeigt den Unterschied <strong>der</strong><br />
<strong>PV</strong>-Profile zwischen starken und schwachen Stürmen.<br />
Es zeigt sich, dass Stürme mit tieferen minimalen Bodendrücken bzw. einer stärkeren<br />
Intensivierung viel ausgeprägtere Anomalien aufweisen. Dies wurde auch in<br />
den <strong>PV</strong>-Profilen <strong>der</strong> in dieser Arbeit analysierten Stürme beobachtet.<br />
Abbildung 4.13: △<strong>PV</strong>-Profil mehrerer extratropische <strong>Zyklonen</strong> in den Wintermonaten (DJF)<br />
mit den minimalen SLP im Bereich von a) 930 bis 970 hPa und b) 990 bis 1010 hPa. Die<br />
schwarze Linie verbindet alle 25 hPa den gemittelten △<strong>PV</strong>-Wert <strong>der</strong> Stürme; die graue Fläche<br />
zeigt den Bereich zwischen dem 10. und 90. Perzentil. Entnommen aus Campa and Wernli<br />
(2012).<br />
Die <strong>Analyse</strong> <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-<strong>Struktur</strong> <strong>der</strong> fünf verschiedenen Stürme zeigte, wie wichtig die<br />
unterschiedlichen <strong>PV</strong>-Anomalien und <strong>der</strong>en Zusammenwirken für die Entwicklung intensiver<br />
Stürme sind. Beson<strong>der</strong>s die diabatisch erzeugte <strong>PV</strong>-Anomalie in <strong>der</strong> unteren und<br />
mittleren Troposphäre war in allen fünf gewählten Stürmen stark ausgeprägt.<br />
Durch den Vergleich <strong>der</strong> <strong>PV</strong>-Profile mit den IWAL-Abbildungen und den früheren<br />
Studien zeigte sich die Schwierigkeit einer <strong>Analyse</strong> mit einem einzelnen Parameter. Für<br />
aussagekräftige Resultate müssen mehrere Parameter analysiert werden und zusammen<br />
mit synoptischen und meteorologischen Informationen betrachtet werden.<br />
Wie sich in dieser Arbeit für den Sturm Lothar gezeigt hat, können auch unterschiedliche<br />
Daten zu unterschiedlichen Resultaten führen.<br />
30
Dank<br />
Ich bedanke mich ganz herzlich bei Heini Wernli, <strong>der</strong> diese Arbeit im Zusammenhang<br />
mit dem <strong>CCES</strong> Projekt ’Klimawandel - Fokus Wasser’ in die Wege geleitet hat und mir<br />
die Möglichkeit gab meine Bachelorarbeit über ein interessantes Thema zu schreiben.<br />
Ich bedanke mich bei Heini auch für die grossartige Betreuung. Mein weiterer Dank geht<br />
an Michael Sprenger, <strong>der</strong> mir bei meinen Fragen und Problemen mit Matlab geholfen<br />
hat.<br />
31
Anhang<br />
A. <strong>PV</strong>-Profile mit 3 Zeitschritten für den Vergleich<br />
(a) Daria<br />
(b) Lothar<br />
(c) Quimburga<br />
(d) Kyrill<br />
(e) Xynthia<br />
Abbildung A.1: Vertikale <strong>PV</strong>-Profile <strong>der</strong> fünf ausgewählten Stürmen von 950 bis 200 hPa<br />
(Werte in <strong>PV</strong>U), für a) Daria, b) Lothar, c) Quimburga, d) Kyrill und e) Xynthia. Die schwarze<br />
Kurve zeigt jeweils das Profil zum Zeitpunkt <strong>der</strong> maximalen Intensität, die rote Kurve ist zum<br />
12 Stunden früheren Zeitpunkt und die gelbe Kurve nochmals 12 Stunden früher.<br />
33
B. Kyrill I und II in den IWAL Grafiken<br />
(a) 17. Jan. 06 UTC<br />
(b) 17. Jan. 12 UTC<br />
(c) 17. Jan. 18 UTC<br />
(d) 18. Jan. 00 UTC<br />
(e) 18. Jan. 06 UTC<br />
Abbildung B.1: Entwicklung <strong>der</strong> <strong>Zyklonen</strong> Kyrill I und Kyrill II vom 17. Januar 06 UTC<br />
bis 18. Januar 06 UTC mit den Isobaren des Bodendruckes und farblich die <strong>PV</strong>-Werte auf 300<br />
hPa.<br />
34
C. Tracking des Sturms Kyrill<br />
Datum Uhrzeit (UTC) geogr. Länge (°) geogr. Breite (°) Kerndruck <strong>der</strong><br />
Zyklone (hPa)<br />
16.01.2007 00 292.5 43.5 1007.09<br />
16.01.2007 06 293.25 44.25 1003.3<br />
16.01.2007 12 300.75 45 999.52<br />
16.01.2007 18 305.25 46.5 991.12<br />
17.01.2007 00 312.75 48 984.7<br />
17.01.2007 06 319.5 50.25 975.37<br />
17.01.2007 12 324 51.75 969.43<br />
17.01.2007 18 327.75 53.25 964.17<br />
18.01.2007 00 334.5 54.75 968.49<br />
18.01.2007 06 350.25 55.5 965.88<br />
18.01.2007 12 2.25 55.5 968.29<br />
18.01.2007 18 11.25 55.5 963.77<br />
19.01.2007 00 23.25 55.5 963.37<br />
19.01.2007 06 29.25 56.25 962.13<br />
19.01.2007 12 33 57 963.08<br />
19.01.2007 18 36 57.75 964.16<br />
20.01.2007 00 37.5 58.5 965.41<br />
20.01.2007 06 39.75 58.5 970.21<br />
20.01.2007 12 41.25 59.25 976.25<br />
20.01.2007 18 46.5 61.5 980.42<br />
21.01.2007 00 50.25 63 981.68<br />
21.01.2007 06 57.75 66 981.21<br />
21.01.2007 12 61.5 68.25 981.31<br />
21.01.2007 18 63 69 980.91<br />
22.01.2007 00 66 69.75 979.56<br />
22.01.2007 06 68.25 71.25 979.04<br />
22.01.2007 12 69.75 72 980.45<br />
22.01.2007 18 68.25 72 981.31<br />
Tabelle C.1: Tracking des Sturms Kyrill<br />
35
Literatur<br />
Baehr, C., B. Pouponneau, F. Ayrault, and A. Joly, 1999: Dynamical characterization<br />
of the FASTEX cyclogenesis cases, Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 125, 3469–3494.<br />
Bjerknes, J., 1919: On the structure of moving cyclones. Mon. Wea. Rev., 47, 95–99.<br />
Browning, K. A., 1997: The dry intrusion perspective of extra-tropical cyclone development,<br />
Meteorol. Appl., 4, 317–324.<br />
Campa, J., and H. Wernli, 2012: A <strong>PV</strong> perspective on the vertical structure of mature<br />
midlatitude cyclones in the Northern Hemisphere. J. Atmos. Sci., 69, 725-740.<br />
Chang, C. B., D. J. Pepkey, and C. W. Kreitzberg, 1984: Latent heat induced energy<br />
transformations during cyclogenesis, Mon. Wea. Rev., 112, 357–367.<br />
Davis, C. A. and K. A. Emanuel, 1991: Potential vorticity diagnostics of cyclogenesis.<br />
Mon. Wea. Rev., 119, 1929–1953.<br />
Dee D.P., S. M. Uppala, A. J. Simmons, P. Berrisford, P. Poli, S. Kobayashi, U. Andrae,<br />
et al., 2011: The ERA-Interim reanalysis: configuration and performance of the data<br />
assimilation system. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 137, 553–597.<br />
Defant, A., 1924: Die Schwankungen <strong>der</strong> atmosphärischen Zirkulation über dem Nordatlantischen<br />
Ozean im 25-jährigen Zeitraum 1881–1905, Geogr. Ann., 6, 13–41.<br />
Ertel, H., 1942: Ein neuer hydrodynamischer Wirbelsatz. Meteor. Z., 59, 277281.<br />
Field, P. R., and R. Wood, 2007: Precipitation and cloud structure in midlatitude cyclones.<br />
J. Climate, 20, 233–254.<br />
Fink, A. H., S. Pohle, J. G. Pinto, and P. Knippertz, 2012: Diagnosing the influence<br />
of diabatic processes on the explosive deepening of extratropical cyclones. Geophys. Res.<br />
Lett., 39, doi:10.1029/2012GL051025.<br />
Fink, A. H., T. Brücher, V. Emert, A. Krüger, and J. G. Pinto, 2009: The European<br />
storm Kyrill in January 2007: synoptic evolution, meteorological impacts and some consi<strong>der</strong>ations<br />
with respect to climate change. Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 9, 405-423.<br />
Hoskins, B. J., M. E. McIntyre, and A. W. Robertson, 1985: On the use and significance<br />
of isentropic potential vorticity maps. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 111, 877–946.<br />
Huo, Z., D.-L. Zhang, and J. R. Gyakum, 1999: Interaction of potential vorticity anomalies<br />
in extratropical cyclogenesis. Part I: Static piecewise inversion. Mon. Wea. Rev.,<br />
37
127, 2546–2562.<br />
Hurrell, J. W., 1995: Decadal trends in the North Atlantic Oscillation: regional temperatures<br />
and precipitation, Science, 269, 676–679.<br />
Lim, E.-P., and I. Simmonds, 2007: Southern Hemisphere winter extratropical cyclone<br />
characteristics and vertical organization observed with the ERA-40 data in 1979–2001.<br />
J. Climate, 20, 2675–2690.<br />
McCallum, E., 1990: The Burns’ Day storm, 25. January 1990. Weather, 45, 166–173.<br />
Pinto, J. G., S. Zacharias, A. H. Fink, G. C. Leckebusch, and U. Ulbrich, 2009: Environmental<br />
factors contributing to the development of extreme cyclones and their relationship<br />
with NAO. Clim. Dynam., 32, 711–737.<br />
Rossa, A. M., H. Wernli, and H. C. Davies, 2000: Growth and decay of an extra-tropical<br />
cyclone’s <strong>PV</strong>-tower. Meteor. Atmos. Phys., 73, 139–156.<br />
Schultz, D. M., and H. Wernli, 2001: Determining Midlatitude Cyclone Structure and<br />
Evolution from the Upper-Level Flow. http://www.cimms.ou.edu/ schultz/papers/marwealog.html<br />
Steininger, K. W., C. Steinreiber, and C. Ritz, 2005: Extreme Wetterereignisse und<br />
ihre wirtschaftliche Folgen, Springer, Berlin Heidelberg.<br />
Uccellini, L. W. and D. R. Johnson, 1979: The coupling of upper and lower tropospheric<br />
jet streaks and implications for the development of severe convective storms. Mon. Wea.<br />
Rev., 107, 682–703.<br />
Ulbrich, U., A. H. Fink, M. Klawa, and J. G. Pinto, 2001: Three extreme storms over<br />
Europe in December 1999. Weather, 56, 70-80.<br />
Ulbrich, U., G. C. Leckebusch, and J. G. Pinto, 2009: Extra-tropical cyclones in the<br />
present and future climate: A review. Theor. Appl. Climatol., 96, 117–131.<br />
Wallace, J. M., and P. V. Hobbs, 2006: Atmospheric Science (Second Edition), Academic<br />
Press, San Diego, 313-373.<br />
Wang, C. C., and J. C. Rogers, 2001: A composite study of explosive cyclogenesis in<br />
different sectors of the North Atlantic. Part I: cyclone structure and evolution. Mon.<br />
Wea. Rev., 129, 1481–1499.<br />
Wernli, H. and H.C. Davies, 1997: A Langrangian-based analysis of extratropical cyyclones<br />
I: The method and some applications. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 123, 467-489.<br />
38
Wernli, H., and M. Bourqui, 2002: A Lagrangian “1-year climatology” of (deep) crosstropopause<br />
exchange in the extratropical Northern Hemisphere. J. Geophys. Res., 107(D2),<br />
4021.<br />
Wernli, H., S. Dirren, M. A. Liniger, and M. Zillig, 2002: Dynamical aspects of the<br />
life cycle of the winter storm ‘Lothar’ (24–26 December 1999). Quart. J. Roy. Meteor.<br />
Soc., 128, 405–429.<br />
Wernli, H., and C. Schwierz, 2006: Surface cyclones in the ERA-40 dataset (1958-2001).<br />
Part I: Novel identification method and global climatology. J. Atmos. Sci., 63, 2486-2507.<br />
Wernli, H., 2012: . Vorlesungsunterlagen - Wettersysteme.<br />
Whitaker, J. S., L. W. Uccellini, and K. F. Brill, 1988: A model-based diagnostic study<br />
of the rapid development phase of the Presidents’ Day cyclone. Mon. Wea. Rev., 116,<br />
2337-2365.<br />
39