Dipl.-Met. Marie-Luise Kapsch
Langzeitliche Variabilität von hagel-relevanten Großwetterlagen in einem Ensemble regionaler Klimamodelle

Gewitterstürme zählen in Deutschland zu denjenigen Wetterereignissen mit einem erheblichen Schadenspotential. Besonders im Sommerhalbjahr können sich Gewitter zu großen Komplexen ausbilden, die von starkem Regen, Windböen, Tornados oder Hagel begleitet werden. Gewitter und deren Begleiterscheinungen ereignen sich mehrmals pro Jahr in Deutschland und verursachen Schäden an Autos, Gebäuden und anderen Besitztümern. In den vergangenen Jahren konnte die SV SparkassenVersicherung AG eine Zunahme der Tage beobachten, an denen Hagelschäden auftraten.

Dies wirft die Frage auf ob Änderungen der Häufigkeit von Hagelereignissen auch in der Zukunft zu erwarten sind. Problematisch ist allerdings, dass Gewitter nur lokal begrenzt auftreten. Die typische horizontale Ausdehnung liegt häufig bei weniger als einigen Kilometern. Daher können Gewitter von meteorologischen Bodenstationen oft nicht erfasst werden. Auch Fernerkundungsmessgeräte, wie z. B. das Radar, sind noch nicht in der Lage Hagel zu registrieren, da bisher kein eindeutiger Zusammenhang zwischen Radarreflektivität und Hagel bzw. Regen gefunden werden konnte. Zudem können Gewitter von Klimamodellen nicht abgebildet werden, da deren horizontale Auflösung meist geringer ist als die räumliche Ausdehnung der Gewitterzellen. Aufgrund der Problematik bei der Erfassung von Gewitterstürmen stehen daher keine ausreichend lange Zeitreihen zur Verfügung um mögliche Änderungen der Hageltage über einen langen Zeitraum zu untersuchen.

Um dieses Problem zu umgehen wurden in dieser Diplomarbeit die für die Auslösung von Gewittern wichtige Parameter untersucht. Die Prozesse der Auslösung sind zum einen gut verstanden und zum anderen besser messbar. Parameter die die Auslösung beschreiben sind die thermische Schichtung der Atmosphäre, der Feuchtegehalt und die großräumige Hebung. Es wird angenommen, dass Änderungen dieser Parameter die Wahrscheinlichkeit, mit der Gewitter auftreten, beeinflussen. Unter Verwendung dieser Parameter lassen sich Wetterlagen definieren, welche dann zu einer gewissen Wahrscheinlichkeit auch Informationen über das Hagelpotential liefern.

Zur Klassifikation der Wetterlagen wurde die Methode der objektiven Wetterlagenklassifikation (oWLK) des Deutschen Wetterdienstes (DWD) auf das Untersuchungsgebiet Deutschland angewendet. Die oWLK berücksichtigt drei Parameter: Windrichtung als indirektes Maß für die thermische Stabilität, Zyklonalität in zwei Höhenschichten (1000 hPa und 500 hPa) als Index für großräumige Hebung und Feuchte (niederschlagsfähiges Wasser). Mittels Hagelschadendaten der SparkassenVersicherung AG und einem statistischer Verfahren (kategorischer Verifikation) konnten die klassifizierten Wetterlagen in Lagen die häufig mit Hagel in Verbindung stehen (hagelrelevant) und solche die nur selten zusammen mit Hagel auftreten (hagelirrelevant) unterteilt werden. Diese stellen die Grundlage für die Analyse langzeitlicher Trends und möglicher Periodizitäten in der Häufigkeit von Hagelereignissen dar. Zur Überprüfung ob die oWLK auf verschiedene Modelldaten anwendbar ist wurden Reanalysedaten des European Center for Medium-Range Weather Forecast (ECMWF) sowie das mit Reanalysen angetriebene Klimamodell COSMO-CLM (CCLM-ERA40) verwendet. Vergleiche der absoluten Anzahl der einzelnen Wetterlagen berechnet aus den verschiedenen Datensätzen wurden für einen Kontrollzeitraum C20 (1971 bis 2000) durchgeführt. Geringe Abweichungen zwischen den absoluten Anzahlen implizieren, dass die oWLK auf verschiedene Datensätze anwendbar ist und dass eine unterschiedliche Modellauflösung (125 km, 80 km or 50 km) nur einen geringen Einfluss auf die Klassifikationsergebnisse hat.

Auf Basis des CCLM-ERA40 Datensatzes konnten außerdem vier verschiedene hagelrelevante und fünf hagelirrelevante Lagen identifiziert werden. Drei dieser vier hagelrelevanten Wetterlagen sind auf denselben meteorologischen Prozess zurück zu führen („Spanish Plume“). Durch einen Trog über dem Nordatlantik und einem Rücken über Mitteleuropa kommt es zur Advektion feucht-warmer Luft aus dem Mittelmeerraum oder vom Atlantik. Die Advektion dieser energiereichen Luftmassen erhöht das Potential für hochreichende Konvektion und erklärt, warum es bei den genannten Wetterlagen häufig zur Entwicklung kräftiger Gewitter und damit einhergehend Hagel kommt. Dies zeigt, dass die oWLK nicht zwischen einzelnen meteorologischen Prozessen unterscheiden kann bestätigt aber, dass die klassifizierten Wetterlagen durchaus realistisch sind. Die oWLK ist damit eine geeignete Methode für die Untersuchung hagelrelevanter Wetterlagen.

Im Folgenden wurde die oWLK durch Anwendung auf ein Ensemble aus acht verschiedenen Realisationen des regionalen Klimamodells COSMO-CLM benutzt um nachzuweisen, dass die Klimamodelle in der Lage sind Wetterlagen hinreichend gut wieder zu geben. Die Realisationen unterschieden sich in der Version des Regionalmodells COSMO-CLM, den antreibenden Globalmodellen, den Anfangsbedingungen- und zeiten der Globalmodelle sowie den Emissionsszenarien. Zur Validierung der Modelle wurden die aus den Klimamodellen errechneten Häufigkeitsverteilungen der Wetterlagen mit denen des Referenzmodells CCLM-ERA40 für den Kontrollzeitraum C20 verglichen. Die Ergebnisse sind überraschend: Obwohl keine Initialisierung der Klimamodelldaten mit Beobachtungen stattfindet, sind die Wetterlagenverteilungen zwischen Klimamodellrealisationen und CCLM-ERA40 fast identisch. Dies ist eine wichtige Grundlage für die Untersuchung der langzeitlichen Variabilität der hagelrelevanten Wetterlagen.

Zur Untersuchung linearer Trends und Periodizitäten in der Häufigkeit von Hagelereignissen wurden verschiedene Methoden angewendet. Zum einen wurden die linearen Trends in den Zeitreihen der hagelrelevanten Wetterlagen analysiert und die statistische Signifikanz mit Hilfe des Mann-Kendall-Tests bestimmt. Statistisch signifikante, positive Langzeittrends der hagelrelevanten Wetterlagen können für den Kontroll- und Projektionszeitraum (ca. 9 Tage bzw. 11 Tage) in einigen der Klimamodellen festgestellt werden. Außerdem kann in fast allen Modellrealisationen durch Anwendung einer Fast-Fourier-Transformation eine Periodizität von 12-16 sowie 2-5 Jahren ermittelt werden. Dies deutet darauf hin, dass das Potential für Hagel harmonisch schwankt.

Im weiteren wurden die Zeitreihen der Wetterlagen zu einem Ensemble gebündelt (Mittelwert und Standardabweichung), um die potentielle Entwicklung der hagelrelevanten Wetterlagen der verschiedenen Realisationen zusammenzufassen und die Unsicherheiten der einzelnen Modelle zu berücksichtigen. Signifikante Trends sind sowohl für den Kontrollzeitraum (von 35 auf 47 Tage), als auch für den Projektionszeitraum (von 39 auf 46 Tage) zu erkennen. Die Zunahme der Tage mit hagelrelevanten Wetterlagen erklärt vermutlich zum Teil die Häufung der Hagelschäden, welche von der SV beobachtet werden konnten (≈ 15 Tage). Dies impliziert, dass die Ergebnisse durchaus repräsentabel sind.

Zur Verifizierung der Ergebnisse wurde außerdem die Anzahl der Hagelschadentage mit Hilfe eines statistischen Modells modelliert, welches die Wetterlagen als Eingabegröße benutzt. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass alle 40 möglichen Wetterlagen bei der Berechnung der Tage berücksichtigt werden und nicht, wie vorher erörtert, nur die vier hagelrelevanten Lagen. Die Ergebnisse auf Grundlage der Wetterlagen von Reanalysen und CCLM-ERA40 stimmen sehr gut mit der Anzahl der Schadenstage der SV überein. Auch laut dieser Methode treten an durchschnittlich 15 Tagen pro Sommerhalbjahr Hagelschäden auf, wobei die Wahrscheinlichkeitsverteilung des Modells zeigt, dass es mit einer Wahrscheinlichkeit von über 90% mindestens 13 und höchstens 17 Hagelschadenstage gab. Um das Modell auf die Klimamodelldaten des Projektionszeitraumes (2001 bis 2050) anzuwenden wurden die Klimamodelle für den Zeitraum 1986 bis 2000 mit der statistischen Verteilung der Hageltage von CCLM-ERA40 fehlerkorrigiert. Es kann eine Zunahme der Tage mit Hagelschäden beobachtet werden.

Für sechs der Modellrealisationen liegt die Wahrscheinlichkeit für mehr als 14 Hageltage pro Sommerhalbjahr für die Jahre 2031-2045 über 90%. Es sollte bedacht werden, dass dies die minimale Anzahl der Hageltage darstellt und daher oft eine höhere Anzahl zu erwarten ist. Es ist zu bemerken, dass die ermittelten Trends sehr stark von Initialisierungszeit und -bedingungen des antreibenden Globalmodells abhängen. Weiterhin werden Unterschiede vom antreibenden Globalmodell selbst hervorgerufen, wohingegen die Version des Regionalmodells sowie die verschiedenen Emissionsszenarien (A1B und B1) nur wenig Einfluss auf die ermittelten Trends haben. Diese Unterschiede deuten auf große Unsicherheiten in den Klimaszenarien hin. Aufgrund dessen sollten die acht verschiedenen Modellrealisationen nicht als Klimavorhersage, sondern eher als mögliche Entwicklung der hagelrelevanten Wetterlagen gedeutet werden.

Die Ergebnisse zeigen, dass regionalen Klimamodelle in der Lage sind Wetterlagen hinreichend gut darzustellen, um sie für langzeitliche Analysen zu verwenden. Die Anwendung verschiedener statistischer Methoden ermöglicht es die zukünftigen Entwicklungen von schadensträchtigen Gewitterstürmen abzuschätzen. Damit ist diesed Methode ein erster erfolgreicher Versuch Hagelereignisse klimatisch zu betrachten.