Radar-based precipitation classification in the Baltic Sea area.

Abstract

This thesis contributes to climatologic research of an important component of the water cycle in the Baltic Sea area, precipitation. Precipitation has a substantial impact on almost all other components of the climate system. It is essential to investigate this component in the whole variety of its appearance. This thesis deals with the spatial and temporal variability of precipitation. The causal condition for the existence of precipitation is the uplift of air and the connected cloud generation. In the context of this work a method was developed, which divides the precipitation according to the type of uplift, thus according to the cause of its appearance. Humans are capable to distinguish fronts on the basis by satellite photographs or spacious precipitation maps. However, a large data set requires an automated procedure. The here presented algorithm is based on textural and structural analysis of horizontal precipitation maps. The accuracy of the procedure was measured by synoptic observations and re-analysis maps of the British weather service. The Hansen and Kuiper s score is a suitable statistic value to evaluate the quality of yes/no decisions. The Hansen and Kuipers score are 0.57 for the validation with synoptic observations and 0.76 for the validation with re- analysis maps corresponding to hit rates of 78 percent and 90 percent, respectively. It was shown that the validation results are largely independent to the location and season of precipitation events. Subsequently, the algorithm was applied to the radar data set BALTRAD for the years 2000 to 2002. Since quantitative estimations of the precipitation from radar measurements exhibit a large uncertainty, excluding the frequency of precipitation events above a threshold value was regarded. A number of climatologically relevant statements was found. The most important results are: (i) frontal precipitation dominates the Baltic Sea area with two thirds of the total precipitation. (ii) The separation in convective and frontal portion almost represents a separation from precipitation with diurnal variability and without. (iii) The diurnal variability of the convective precipitation over country differs from that over the Baltic Sea. The diurnal signal over land is substantially more largely, in particular in summer. (iv) The average zonal west-east speed of frontal systems was estimated by approx. 7 m/s. An often cited difficulty, which concerns many climate models, is the fact that the time of day with maximum precipitation is often two to three hours too early simulated (Trenberth et al., 2003). It is assumed that the convective precipitation is insufficiently described. The procedure presented here permits the selection of convective precipitation and is particularly suitable with accomplishing more exact investigations of the convective diurnal variation. Results of the evaluation of the regional climate model REMO are presented.

Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur klimatologischen Betrachtung eines wichtigen Bestandteils des Wasserkreislaufs im Ostseeraum: den Niederschlag. Niederschlag hat einen erheblichen Einfluss auf nahezu alle anderen Komponenten des Klimasystems. Es ist daher unerlässlich, diese Komponente in der ganzen Vielfalt ihres Auftretens zu betrachten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der räumlichen und zeitlichen Variabilität des Niederschlags. Die ursächliche Bedingung für das Entstehen von Niederschlag ist das Auftreten von Hebungsprozessen von Luft und die damit verbundene Wolkenbildung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Verfahren entwickelt, welches den Niederschlag nach der Art der Hebung, also nach der Ursache seiner Entstehung einteilt. Dabei werden die Klassen konvektiver Niederschlag für die freie Hebung und frontaler Niederschlag für die erzwungene, großräumige Hebung verwendet. Der Mensch ist in der Lage Fronten an Hand von Satellitenbildern oder großräumigen Niederschlagskarten zu erkennen. Für eine große Datenmenge war aber das Erstellen eines automatisierten Verfahrens notwendig. Der entwickelte Algorithmus basiert auf textureller und struktureller Auswertung von horizontalen Niederschlagskarten. Die Genauigkeit des Verfahrens wurde mit synoptischen Routinemessungen und Analysekarten des britischen Wetterdienstes abgeschätzt. Der Hansen und Kuipers score ist ein geeignete statistische Größe, um die Güte von Ja/Nein Entscheidungen auch mit ungünstiger Verteilung der Proben mit nur einer Zahl zu bewerten. Für die Validierung mit synoptischen Daten ergibt der Hansen und Kuipers score einen Wert von etwa0,57 und für die Auswertung mit den Analysekarten einen Wert von 0,76. Das entspricht einer Trefferquote von 78% bzw. 90%. Es hat sich gezeigt, dass die Validierungsergebnisse unabhängig vom Ort und von der Jahreszeit des Niederschlags sind. Das Verfahren wurde danach auf den Niederschlagsradardatensatz BALTRAD für die Jahre 2000 bis 2002 angewendet. Da quantitative Abschätzungen des Niederschlags aus Radarmessungen eine große Unsicherheit aufweisen, wurde ausschließlich die Auftrittshäufigkeit von Regenintensitäten oberhalb eines Schwellenwertes betrachtet. Es konnten eine Vielzahl klimatologisch relevanter Aussagen getroffen werden, sowohl genereller Natur als auch solche die ein besonderes Augenmerk auf Jahres- und Tagesgang legen. Die wichtigsten Erkenntnisse sind: (i) Frontaler Niederschlag dominiert den Ostseeraum mit zwei Dritteln des Gesamtniederschlags. (ii) Die Trennung in konvektiven und frontalen Anteil repräsentiert gleichzeitig nahezu eine Trennung von Niederschlag mit tageszeitlicher Variabilität und ohne. (iii) Die tageszeitliche Variabilität des konvektiven Niederschlags über Land unterscheidet sich von dem über dem Meer. Das tageszeitliche Signal ist über Land erheblich größer, insbesondere im Sommer. (iv) Durchdie automatisierte Interpretation von Hovmöller Diagrammen des frontalen Anteils konnte eine mittlere zonale West-Ost-Geschwindigkeit von Frontensystemen von etwa 7m/s abgeschätzt werden. Ein oft zitierter Mangel, der viele Klimamodelle betrifft, ist die Tatsache, dass die Tageszeit des maximalen Niederschlages zwei bis drei Stunden zu früh simuliert wird (Trenberth et al., 2003). Es wird vermutet, dass der konvektive Niederschlag unzureichend beschrieben ist. Das hier vorgestellte Verfahren erlaubt die Selektion von konvektivem Niederschlag und ist damit besonders geeignet, genauere Untersuchungen des konvektiven Tagesgangs durchzuführen. Im Kapitel 6 werden die Ergebnisse einer solchen Untersuchung für das Klimamodellsystem BALTIMOS vorgestellt.