Der Wavelet-basierte Organisationsindex als Maß der konvektiven Organisation über Deutschland und dem tropischen Atlantik

Abstract

In dieser Arbeit wird die konvektive Organisation mithilfe von zweidimensionalen Wavelet-Transformationen der Regenrate und der Helligkeitstemperatur analysiert. Aus dem Wavelet-Spektrum lassen sich Informationen über die Skala der Konvektion, deren Intensität und deren Orientierung ableiten. Jede der drei Größen bildet eine Komponente des neu eingeführten Wavelet-basierten Organisationsindex (WOI). <br /> In einer ersten Studie wird der WOI benutzt, um zwischen sehr unorganisierter Konvektion und organisierten konvektiven Strukturen (Multizellen, Squall-Line) zu unterscheiden. Grundlage dafür bilden drei Fallstudien mit hochauflösenden ICON-Simulationen über Deutschland. Die berechneten Wavelet-Spektren der Regenraten zeigen, dass unorganisierte Konvektion kleinskaliger ist und eine geringere Intensität aufweist als organisierte Konvektion in Form von Multizellen und Squall-Lines. Letztere zeichnen sich zusätzlich durch eine Richtungsabhängigkeit im Wavelet-Spektrum aus. Ein Vergleich mit Wavelet-Spektren aus Radarbeobachtungen liefern ein ähnliches Bild. Die dynamischen und konvektiven Variablen wie Windscherung, Helizität, CIN und CAPE aus dem ICON-Modell offenbaren derweil zwei unterschiedliche Cluster: Wenig organisierte Konvektion tritt in Verbindung mit schwachen Höhenwinden und einer damit einhergehenden geringen vertikalen Windscherung auf, während sich die organisierte Konvektion durch ein stärkeres Forcing entwickeln kann. Vor Ausbruch der organisierten Konvektion kann sich im Tagesverlauf mehr CAPE aufbauen, da die Luftmasse durch erhöhtes CIN anfangs gedeckelt ist. Neben WOI werden auch drei in der Literatur etablierte konvektive Organisationsindexe berechnet. Es stellt sich heraus, dass WOI in dieser Fallstudie unorganisierte Konvektion von organisierten Strukturen unterscheiden kann, während die anderen Indexe nur 90 % aller Zeitschritte richtig zuordnen können. <br /> Die drei WOI-Komponenten sind untereinander nicht direkt vergleichbar, sodass im nächsten Schritt eine Normierung eingeführt wird. Weiterhin stellt sich heraus, dass durch die Wahl eines alternativen Wavelets die Struktur des Niederschlags besser erfasst werden kann. Durch diese Anpassungen wird es möglich, die konvektive Organisation erstmals auf einer Karte zu lokalisieren (LWOI) und somit Regionen unterschiedlicher konvektiver Organisation zu identifizieren. Diese Erweiterung von WOI in zwei Dimensionen wird auf ICON-Simulationen über dem tropischen Atlantik angewendet. Im Vergleich zu den maritimen konvektiven Umlagerungen ist die Konvektion über dem afrikanischen Festland großskaliger und intensiver. Ähnliche Erkenntnisse liefert LWOI für Niederschlagsabschätzungen via Satelliten im Mikrowellen- und Infrarotbereich. Ein Vergleich mit den dynamischen und konvektiven Variablen zeigt auch hier klare Unterschiede zwischen den unterschiedlichen Graden der konvektiven Organisation über dem Festland und dem benachbarten Atlantik. <br /> Im dritten Schritt wird die Struktur von Schauern und Gewittern sowie bei Hagelereignissen oder Starkniederschlägen mit dem finalen Index LW untersucht. Eine abschließende Optimierung sorgt dafür, dass der LW frei von Schwellenwerten ist und auf einer beliebigen zweidimensionalen Variable flexibel anwendbar ist. Während zuvor Regenraten als Grundlage für das Wavelet-Spektrum dienten, wird der Index LW auch auf Helligkeitstemperaturen angewendet. Es zeigt sich, dass Hagel- und Starkregenereignisse mit intensiven Niederschlägen und niedrigen Helligkeitstemperaturen einhergehen. Die Skala der intensiven Konvektion ist dabei sehr klein, d. h., dass das Ereignis auf einen sehr engen Raum begrenzt ist. Darüber hinaus ist es sogar möglich, mithilfe von LW zwischen Schauern, Gewittern und Hagel-/Starkregenereignissen zu klassifizieren.

<strong>The wavelet-based organization index as a measure of convective organization over Germany and the tropical Atlantic</strong> <br /> Convective organization is analyzed with help of a two-dimensional wavelet transform of rain rate and brightness temperature. From the wavelet spectrum, information about the scale of convection, its intensity and its orientation can be derived. Each of the three quantities forms a component of the so-called wavelet-based organization index (WOI). <br /> First, WOI is used to distinguish between scattered convection and a linearly organized squall line in the midlatitudes. A comparison with dynamic and convective variables within three case studies shows that WOI differentiates better between unorganized structures and linear convection than ordinary organization indices from literature. <br /> However, the original definition of WOI still has some weaknesses. Through normalization and the choice of a different wavelet, all three components become more comparable. Thus, convective organization can be localized on a map for the first time (LWOI). It turns out that the organization of squall lines over Africa differs from the maritime convection over the tropical Atlantic in scale and intensity. A comparison with the dynamic and convective variables also shows clear differences between the different degrees of convective organization. <br /> In the third and final step, the structure of showers and thunderstorms as well as in the area of hail or heavy precipitation is examined with the final index LW. A final optimization ensures that LW is also free of threshold values and can be flexibly applied to any two-dimensional variable. The index LW is also applied to brightness temperatures instead of rain rates. It turns out that hail and heavy rain events are associated with intense rainfall and low brightness temperatures. The scale of the intense convection is very small, i.e. the events local phenomena. Furthermore, it is even possible to classify between showers, thunderstorms and hail/heavy rain events using LW.