6.1 Gegenüberstellung Von Druckfeldableitungen Und Niederschlag
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DIPLOMARBEIT Titel der Diplomarbeit Verwendung hochaufgelöster Druckfelder zur Erfassung von Niederschlagsereignissen Verfasserin Annemarie Lexer angestrebter akademischer Grad Magistra der Naturwissenschaften (Mag.rer.nat.) Wien, April 2013 Studienkennzahl lt. Studienblatt: A 415 Studienrichtung lt. Studienblatt: Meteorologie Betreuerin / Betreuer: O. Univ.-Prof. Reinhold Steinacker i Zusammenfassung Meteorologische Ereignisse, insbesondere Starkniederschlag, aber auch längere Trocken- oder Hitzeereignisse, nehmen seit jeher starken Einfluss auf den Menschen. Vor allem in den letzten Jahren kam es in Europa vermehrt zu größeren Hochwasserereignissen und länger andauernden Trockenperioden. Deshalb wird das Bedürfnis einer besseren Erfassung und Vorhersage dieser Ereignisse immer stärker. Besonders trifft dies auf den Alpenraum, der auf Grund seiner Topographie eine klimatische Übergangszone bezüglich des Niederschlags darstellt. In dieser Diplomarbeit soll nun ein Zusammenhang zwischen Bodendruckfeldern und Niederschlagsereignissen hergestellt werden. Als Datengrundlage dienen die Zeitreihe der auf Meeresniveau reduzierten Druckdaten aus dem MESOCLIM-Datensatz (Mesoscale Alpine Climatology) sowie Niederschlagsdaten vom Hydrographischen Zentralbüro des Bundesministeriums für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft. Die Arbeit stützt sich auf die Hypothese, dass ein Zusammenhang zwischen räumlichen und/oder zeitlichen Ableitungen des Druckfeldes (z. B. Hinweis auf ein Frontsignal) und Niederschlagsereignissen zu finden ist. Diese Annahme ist nahe liegend, da der Großteil der Niederschläge in den mittleren Breiten in Zusammenhang mit transienten synoptischen Systemen bzw. Fronten auftritt. Da das Wettergeschehen in Österreich sehr stark von der Orographie (Alpen, Alpenvorland, Flachland, Donauraum, etc.) geprägt ist, wird Österreich subjektiv- empirisch in sieben Klimaregionen eingeteilt. Diese gebietsweise Betrachtung soll zusätzlich Aufschluss darüber geben, wie stark das Wettergeschehen in den verschiedenen Regionen von diversen vorherrschenden Druckmustern beeinflusst wird. Außerdem wird dieser Zusammenhang noch auf seine Abhängigkeit von klimatologischen Perioden (meteorologische Halbjahre und Jahreszeiten) geprüft. Abschließend sollen Vor- und Nachteile dieser Methode sowie Unterschiede und Gemeinsamkeiten der einzelnen Regionen besprochen werden. iii Abstract Meteorological events such as heavy precipitation or long term drought and heat have always had a strong impact on human beings. Especially during the last few years there has been an increase in floods and long term drought in Europe. Hence, the need for better recording and forecast of such events has grown. This is particular relevant in the Alps, since they represent a climatic transition zone concerning precipitation due to their topography. This diploma thesis should establish a connection between pressure fields and precipitation. Time series of mean sea level pressure data from the MESOCLIM data set (Mesoscale Alpine Climatology) and precipitation data from the hydrographical central office of the Federal Ministry for Agriculture and Forestry, Environment and Water Resources serve as data pool. The main hypothesis of this work is that there exists a connection between spatial and/or temporal derivations of the pressure field (e.g. frontal signal) and precipitation events. Since the major amount of precipitation in the mid latitudes occurs within transient synoptic systems, respectively frontal systems, this assumption is obvious. As the weather in Austria is strongly influenced by topography (Alps, foothills of the Alps, lowland, Danube area, etc.), Austria is divided into seven climatic regions in a subjective- empirical way. This strategy should give further information about how strong the weather events are influenced by predominate pressure patterns in these regions. Moreover, this connection between precipitation and pressure pattern is tested for its dependency on climatological periods (meteorological half-years and seasons). Finally, there will be a discussion on advantages or disadvantages of this method, as well as on differences among the climatic regions or what they have in common. Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung ....................................................................................................................... 1 1.1 Motivation ............................................................................................................... 1 1.2 Struktur der Arbeit ................................................................................................... 5 2 Datengrundlage ............................................................................................................. 7 2.1 Niederschlagsdaten des hydrographischen Dienstes ............................................... 7 2.2 Luftdruckdaten aus dem MESOCLIM-Datensatz ................................................... 9 3 Methodik ...................................................................................................................... 11 3.1 Die Skala................................................................................................................ 11 3.2 Wahl der MESOCLIM-Gitterpunkte ..................................................................... 12 3.3 Klimaregionen Österreichs .................................................................................... 14 3.4 Untersuchung von meteorologischen Halbjahren und Jahreszeiten ...................... 18 3.5 Kombinierte Untersuchungen von Niederschlagsstatistiken und Druckfeldableitungen ............................................................................................ 20 4 Analyse von Niederschlagsereignissen ...................................................................... 21 4.1 Größen aus der Statistik ......................................................................................... 21 4.1.1 Mittelwert ............................................................................................................................. 21 4.1.2 Quantile ................................................................................................................................ 22 4.2 Schwellwerte und Ergebnisse der Statistikauswertung ......................................... 23 4.2.1 Niederschlagsereignisse ........................................................................................................ 23 4.2.2 Trockenperioden ................................................................................................................... 25 5 Druckfeldableitungen ................................................................................................. 29 5.1 Bildung und Bedeutung der Druckfeldableitungen ............................................... 29 5.1.1 Druckgradient ....................................................................................................................... 31 5.1.2 Gemischte räumliche Ableitung des Druckfeldes ................................................................. 32 5.1.3 Gemischte räumlich-zeitliche Ableitung des Druckfeldes .................................................... 32 v vi INHALTSVERZEICHNIS 5.1.4 Zweite zeitliche Ableitung des Druckfeldes ......................................................................... 33 5.1.5 Zweite räumliche Ableitung des Druckfeldes ....................................................................... 34 5.1.6 Laplacep ................................................................................................................................ 34 5.2 Größen aus der Statistik ......................................................................................... 35 5.2.1 Mittelwert ............................................................................................................................. 35 5.2.2 Standardabweichung ............................................................................................................. 36 5.2.3 Varianz ................................................................................................................................. 36 6 Auswertungen .............................................................................................................. 39 6.1 Gegenüberstellung von Druckfeldableitungen und Niederschlag ......................... 39 6.2 Niederschlagsereignisse ......................................................................................... 43 6.2.1 Häufigkeitsverteilungen ........................................................................................................ 44 6.2.2 Fallstudie 05. August und 06. August 2002 .......................................................................... 50 6.3 Trockenperioden .................................................................................................... 55 6.3.1 Häufigkeitsverteilungen ........................................................................................................ 55 6.3.2 Fallstudie 16. März bis 27. März 2003 ................................................................................. 62 7 Conclusio und Ausblick .............................................................................................. 71 7.1 Ergebnisse und Schlussfolgerungen ...................................................................... 71 7.2 Ausblick ................................................................................................................