Modifikation Von Starkniederschlägen Durch Urbane Gebiete
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Modifikation von Starkniederschlägen durch urbane Gebiete Diplomarbeit im Fach Meteorologie Peter Hoffmann März 2009 Meteorologisches Institut Department Geowissenschaften Universität Hamburg Zusammenfassung Zusammenfassung In dieser Arbeit wird der Einfluss von Städten auf Niederschlag und insbesondere auf Starkniederschlag untersucht. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass der Nieder- schlag in Lee von Städten verstärkt wird. Als Ursachen für die Verstärkung von Niederschlag in Lee der Stadt werden die städtische Wärmeinsel (UHI), die hohe Rauhigkeit von Städten und die anthropogenen Aerosole aufgeführt. Für eine Stadt wie Hamburg, mit ihren 1.8 Mio. Einwohnern und ihrem maritimen Klima wurden weder die UHI noch der städtische Einfluss auf den Niederschlag untersucht. Aus diesem Grund werden Messdaten des Deutschen Wetterdienstes (DWD) von 7 Klimastationen, 46 Niederschlagsstationen sowie eine synoptische Station in der Metropolregion Hamburg mit statistischen Verfahren analysiert. Die Ergebnisse der statistischen Analyse zeigen, dass Hamburg eine UHI von bis zu 3 K im Sommer besitzt und es in Lee der Stadt Hamburg zu einer signifikanten Niederschlagsverstärkung von bis zu 20 % an ca. 46 % der Stationen kommt. Aus der Trendanalyse der langen Niederschlagszeitreihen ergibt sich eine signifikante Zunahme der Jahresniederschlagssummen sowie eine nicht- signifikante Zunahme von Starkniederschlag. Zur genaueren Untersuchung der möglichen Einflussfaktoren auf die Entstehung von Starkniederschlag in der Umgebung von Städten werden zweidimensionale Sensitivitäts- studien mit dem mesoskaligen Modell METRAS durchgeführt. Ergebnisse verdeutlichen, dass eine Stadt von der Größe Hamburgs Starkniederschlag auslösen kann. Die Nieder- schlagsintensität und die räumliche Niederschlagsverteilung hängen dabei von der Stadtgröße, der Orographie sowie den meteorologischen Randbedingungen ab. I Zusammenfassung Abstract In this thesis the impact of urban areas on precipitation and especially on heavy precipitation is investigated. It is widely accepted that cities can lead to a downwind enhancement of precipitation. The urban heat island (UHI), higher roughness of urban areas and the anthropogenic aerosols released by cities are proposed to be the main causes for this enhancement. However, for a city like Hamburg with its 1.8 million inhabitants and maritime climate, neither the properties of the UHI nor the urban impact on precipitation are known. Therefore, observational data provided by the German Weather Service (DWD) from 7 climate stations, 46 rain gauges and one synoptic station situated in the metropolitan region of Hamburg are analysed with statistical methods. Results show that Hamburg exhibits an UHI of up to 3 K in summer and that 46% of the rain gauges measure increased precipitation of up to 20%. Additionally, trend analyses of long-term precipitation data show significant changes in annual and seasonal precipi- tation since 1891 and a non-significant increase in heavy precipitation. To identify the processes that influence the development of heavy precipitation in the vicinity of cities, idealized 2D sensitive studies are performed with the mesoscale model METRAS. They indicate that a city as large as Hamburg has an impact on the initiation of heavy precipitation. Intensity and location of precipitation maxima depend on the city size, the surrounding orography and the meteorological boundary conditions. II Inhaltsverzeichnis Inhalt ZUSAMMENFASSUNG ...................................................................................................I INHALT...........................................................................................................................III 1 EINLEITUNG........................................................................................................... 1 2 STAND DES WISSENS ........................................................................................... 3 2.1 ENTSTEHUNG VON NIEDERSCHLAG...................................................................... 3 2.2 DEFINITION STARKNIEDERSCHLAG ...................................................................... 4 2.3 ENTSTEHUNG VON STARKNIEDERSCHLAG............................................................ 5 2.4 STÄDTISCHE WÄRMEINSEL .................................................................................. 6 2.5 AUSWIRKUNGEN DER STADT AUF DEN NIEDERSCHLAG ..................................... 10 2.5.1 Ältere Untersuchungen ............................................................................. 10 2.5.2 Studien seit 2000....................................................................................... 11 3 DATENANALYSE ................................................................................................. 19 3.1 TEMPERATUR- UND NIEDERSCHLAGSDATENSATZ DER METROPOLREGION HAMBURG...................................................................................................................... 19 3.2 METHODIK......................................................................................................... 23 3.2.1 Berechnung von Starkniederschlag .......................................................... 23 3.2.2 Trendanalyse............................................................................................. 24 3.2.3 Berechnung des mittleren Winds .............................................................. 24 3.2.4 Berechnung der Intensität der städtischen Wärmeinsel ........................... 25 3.2.5 Berechnung der Niederschlagsdifferenzen ............................................... 26 3.2.6 Signifikanztests.......................................................................................... 28 3.3 ERGEBNISSE....................................................................................................... 32 3.3.1 Klimatologie von Temperatur, Niederschlag und Wind ........................... 32 3.3.2 Städtische Wärmeinsel.............................................................................. 34 3.3.3 Niederschlagstrends in der Metropolregion............................................. 40 3.3.4 Niederschlagsdifferenzen in der Metropolregion ..................................... 43 4 BESCHREIBUNG VON METRAS ...................................................................... 48 4.1 GRUNDGLEICHUNGEN ........................................................................................ 48 4.2 APPROXIMATIONEN ........................................................................................... 50 4.3 PARAMETRISIERUNGEN...................................................................................... 52 4.3.1 Wolken- und Niederschlagsparametrisierung .......................................... 52 4.3.2 Turbulenzparametrisierung ...................................................................... 56 4.3.3 Strahlungsparametrisierung ..................................................................... 57 4.4 NUMERISCHE VERFAHREN ................................................................................. 58 4.5 INITIALISIERUNG................................................................................................ 59 III Inhaltsverzeichnis 5 MODELLERGEBNISSE ZUR ENTSTEHUNG VON STARKNIEDERSCHLAG IN LEE VON STÄDTEN ................................................ 60 5.1 REFERENZLAUF.................................................................................................. 61 5.1.1 Modellgebiet ............................................................................................. 62 5.1.2 Initialisierung............................................................................................ 63 5.1.3 Ergebnisse................................................................................................. 64 5.2 EINFLUSS DER AUFLÖSUNG................................................................................ 72 5.3 EINFLUSS VON OBERFLÄCHENEIGENSCHAFTEN ................................................. 74 5.4 EINFLUSS DER STADTGRÖßE .............................................................................. 79 5.5 EFFEKT DER OROGRAPHIE ................................................................................. 85 5.6 EINFLUSS DER WINDGESCHWINDIGKEIT ............................................................ 89 6 FAZIT UND AUSBLICK....................................................................................... 92 DANKSAGUNGEN ........................................................................................................ 97 SYMBOLVERZEICHNIS ............................................................................................. 98 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ................................................................................ 102 LITERATURVERZEICHNIS..................................................................................... 103 IV Kapitel 1: Einleitung 1 Einleitung Starkniederschläge können in kürzester Zeit großen Schaden anrichten. Dabei ist nicht nur Eigentum in Gefahr, sondern auch Menschenleben. Es kann zu überfluteten Straßen und Kellern kommen, die zu Todesfallen werden können. Auch in der Landwirtschaft kann Starkniederschlag zu immensen Schäden führen. Eine Vorhersage solcher Ereignisse ist von großer Bedeutung. Zur Vermeidung von Schäden ist es wichtig zu wissen, wo und wann Starkniederschlagsereignisse überhaupt auftreten können. Auch die Kenntnis der Entstehung und Modifikation von Niederschlägen durch unterschiedliche Orographie und Oberflächeneigenschaften