Factors affecting the severity of European winter windstorms

Abstract

Every year, dozens of intense extra-tropical cyclones strike Europe with high intensity windfields — or windstorms — that inflict significant damage to local infrastructure and housing. In terms of reinsurance losses, windstorms are the most socioeconomically dangerous hazards affecting Europe to date. Stakeholders from both the public and private sectors are interested in improving the predictability of these systems, and while substantial advancements have been made towards a better understanding of their occurrence frequency, little has been explored in terms of their potential severity. Thus, the thesis focuses on the factors affecting the severity (or footprint) of European windstorms by taking a large set of events from the MPI-ESM-LR model, and ERA-20C reanalysis data.

After defining a windstorm footprint metric, windstorms are objectively matched to unique cyclones, where it is assumed the windstorm is created by its paired cyclone (the paired system is called a “storm”). These storms form the basis of the systems studied in the thesis as they provide more upstream information. Factors are explored in three core topics: i) characterising European windstorms in terms of their parent cyclones; ii) exploring the role of various cyclonic growth factors (CGFs) on storm footprints; and iii) using a Generalized Linear Model (GLM) to quantitatively rank the importance of factors affecting these footprints.

In terms of their parent cyclones, it is found that extremely high windstorm footprints are associated with deeper and faster-growing cyclones, and non-extreme systems show a weaker relationship. Strong windstorms are additionally associated with bomb cyclones. Windstorms usually form 2 days after cyclogenesis and are found to intensify in a 24-hour window centered on cyclone maximum intensification. Finally, we investigated the cyclone pathways which create high European windstorm footprints. Cyclogenesis maxima are situated over the North Atlantic, with a higher density towards the West near the US East Coast. These cyclones intensify on the southwest flank of the British Isles before entering Europe with a high intensity, creating a high European footprint.

Then, we study the role of five CGFs in these cyclone pathways: the jet stream, Eady Growth Rates (EGRs), potential vorticity at 850 hPa (PV850), land-sea contrasts (LSCs), and sea-surface temperature (SST) gradients. To determine whether the magnitudes of these anomalies are related to the European storm footprint, they are composited at the time and location of cyclogenesis or maximum intensification, and are compared between extremely high and low European footprint storms. We find that strong jet streams and latent heat release during the cyclone intensification phase in the East Atlantic have a large influence on the storm footprint, with some influence from these processes at the cyclogenesis phase in the West Atlantic. Lastly, we find evidence that stronger LSCs over the US East Coast are related to higher footprint windstorms, but SST gradient results disagreed between the data sets and may instead be related only to the occurrence of windstorms. Altogether, high European footprint storms are related to a few CGFs influencing cyclogenesis in the West Atlantic (e.g. LSCs and local baroclinicity), followed by other CGFs influencing intensification in the East Atlantic (e.g. PV850).

The previous two sections explored how cyclone properties and CGFs influence high European footprint storms, so we utilize a GLM to quantitatively assess all of these factors which are represented as “predictors” using field means or binary conditions. Six models are constructed: the first four relate to regional subsets of the storms, and the last two incorporate regional development as predictors. From the parameter estimations of each model result, we find that jet stream and PV850 anomalies at the cyclone intensification phase and West Atlantic cyclogenesis provide the most explanatory power. Moreover, a positive NAO emerges as a strong predictor in the case that storms benefit from being deflected in a northeasterly direction towards Europe (e.g. in MPI-ESM-LR data). Both LSCs and SST gradients appear to be strong predictors, but their disagreements between the two data sets suggest that further analysis is required.

Overall, we determined the most likely factors (among many) influencing a high European windstorm footprint. These are cyclones which generate in the West Atlantic thanks to baroclinicity and surface thermal gradients, a cyclone maximum intensification phase accompanied by a transient jet anomaly and a large amount of diabatic release near the British Isles (especially during a positive NAO phase), and a windstorm genesis and intensification during this phase.

Jedes Jahr treffen Dutzende von intensiven extra-tropischen Zyklonen auf Europa mit hochintensiven Windfeldern - oder Stürmen - die der lokalen Infrastruktur und Wohngebäuden/Gebäuden erheblichen Schaden zufügen. In Bezug auf die Rückversicherungsschäden sind Stürme die bislang sozioökonomisch gefährlichsten Gefahren für Europa. Aus dem öffentlichen und privaten Sektor sind an einer Verbesserung der Vorhersagbarkeit dieser Systeme interessiert, und obwohl wesentliche Fortschritte hinsichtlich eines besseren Verständnisses ihrer Auftrittshäufigkeit erzielt wurden, gibt es hinsichtlich ihrer potenziellen Schwere/Intensität wenig Untersuchungen. Die Dissertation konzentriert sich daher auf die Faktoren, die die Schwere (oder den Fußabdruck) europäischer Stürme beeinflussen, indem eine große Anzahl von Ereignissen aus MPI-ESM-LR Modell und ERA-20C-Reanalysedaten entnommen werden.

Nachdem eine Windstorm-Footprint-Metrik definiert wurde, werden Windstürme objektiv einer Zyklone zugeordnet, wobei davon ausgegangen wird, dass der Windsturm durch seine gepaarte Zyklone erzeugt wird (das gepaarte System wird als “Sturm” bezeichnet). Diese Stürme bilden die Grundlage für die in der Arbeit untersuchten Systeme, da sie mehr vorgelagerte Informationen liefern. Faktoren werden in drei Kernthemen untersucht: i) Charakterisierung europäischer Stürme in Bezug auf ihre Elternzyklone; ii) Untersuchung des Einflusses verschiedener Zyklonenwachstumsfaktoren (ZFs) auf die Fußabdrücke von Stürmen; und iii) Verwenden eines verallgemeinerten linearen Modells (GLM), um die Wichtigkeit von Faktoren, die diese Fußabdrücke beeinflussen, quantitativ zu bewerten.

In Bezug auf die übergeordneten Zyklonen wurde festgestellt, dass extrem hohe Windsturmspuren mit tieferen und schneller wachsenden Zyklonen verbunden sind und nichtextreme Systeme eine schwächere Beziehung aufweisen. Starke Stürme sind typischerweise auch mit Bombenzyklonen (also solchen, deren Kerndruck extrem schnell fällt) verbunden. Stürme bilden sich normalerweise zwei Tage nach der Zyklogenese und verstärken sich in einem 24-Stunden-Fenster, das sich rund um die maximale Intensität des Zyklons zentriert. Schließlich wurden die Zyklonenwege von Systemen untersucht, die hohe europäische Windsturmspuren erzeugen. Zyklogenese-Maxima liegen über dem Nordatlantik mit einer höheren Dichte nach Westen in der Nähe der US-Ostküste. Diese Zyklonen verstärken sich an der Südwestflanke der britischen Inseln, bevor sie mit hoher Intensität nach Europa vordringen, wodurch ein hoher europäischer Fußabdruck entsteht.

Anschließend wird die Rolle von fünf ZFs in diesen Zyklonpfaden untersucht: Jet streams, Eady Growth Rates (EGRs), potenzielle Vorticity auf 850 hPa (PV850), Land-See-Kontraste (LSCs) und Meeresoberflächentemperatur (SST). Um festzustellen, ob die Größenordnungen dieser Anomalien mit dem europäischen Sturmfußabdruck zusammenhängen, werden sie zum Zeitpunkt und am Ort der Zyklogenese oder der maximalen Intensivierung zusammengesetzt und zwischen Stürmen mit extrem hohem bzw. extrem niedrigem europäischen Fußabdruck verglichen. Wir finden, dass starke Jet streams und die Freisetzung latenter Wärme während der Zyklonenintensivierungsphase im Ostatlantik einen großen Einfluss auf den Fußabdruck des Sturms haben, wobei ein gewisser Einfluss von diesen Prozessen in der Zyklogenesephase im Westatlantik ausgeht. Schließlich finden wir Hinweise darauf, dass stärkere LSCs über der Ostküste der USA mit Windstürmen mit größerer Grundfläche zusammenhängen, die Ergebnisse des 5 SST-Gradienten jedoch nicht zwischen den Datensätzen übereinstimmen und stattdessen möglicherweise nur mit dem Auftreten von Windstürmen zusammenhängen, nicht aber mit deren Intensität. Insgesamt hängen Stürme mit hohem europäischen Fußabdruck mit einigen ZF zusammen, die die Zyklogenese im Westatlantik beeinflussen (z. B. LSCs und lokale Baroklinität), gefolgt von anderen ZFs, die die Intensivierung im Ostatlantik beeinflussen (z. B. PV850).

Abschließend wird ein GLM verwendet, um alle die oben genannten Faktoren, die als “Prädiktoren” dargestellt werden, mithilfe von Feldmitteln oder binären Bedingungen quantitativ zu bewerten. Es werden sechs Modelle konstruiert: Die ersten vier beziehen sich auf regionale Untergruppen der Stürme, und die letzten beiden berücksichtigen die regionale Entwicklung als Prädiktoren. Aus den Parameterschätzungen der einzelnen Modellergebnisse geht hervor, dass Jetstream- und PV850-Anomalien in der Zyklonenintensivierungsphase und in der Zyklogenese im Westatlantik die größte Erklärungskraft haben. Darüber hinaus ergibt sich eine positive NAO als starker Prädiktor für den Fall, dass Stürme davon profitieren, in nordöstlicher Richtung nach Europa abgelenkt zu werden. Sowohl LSCs als auch SST-Gradienten scheinen starke Prädiktoren zu sein, aber ihre Unstimmigkeiten zwischen den beiden Datensätzen legen nahe, dass weitere Analysen erforderlich sind.

Insgesamt wurden die wahrscheinlichsten (von vielen) Faktoren ermittelt, die einen hohen europäischen Windsturm-Fußabdruck hervorrufen. Hierbei handelt es sich um Zyklonen, die im Westatlantik aufgrund von Baroklinität und thermischen Oberflächengradienten, einer Phase maximaler Intensivierung durchlaufen, welche von einer vorübergehenden Jetanomalie und einer starken diabatischen Wärmefreisetzung in der Nähe der britischen Inseln begleitet wird (insbesondere während einer positiven NAO-Phase), so dass sich in dieser Phase das zugehörige Sturmfeld bildet (Sturmgenese) und intensiviert.