Winter wind storms: Identification, verification of decadal predictions, and regionalization DISSERTATION zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften am Fachbereich Geowissenschaften der Freien Universit¨at Berlin vorgelegt von Tim Kruschke Berlin, Dezember 2014 1. Gutachter: Prof. Dr. Uwe Ulbrich Institut fur¨ Meteorologie Freie Universit¨at Berlin 2. Gutachter: PD Dr. Gregor C. Leckebusch School of Geography, Earth and Environmental Sciences University of Birmingham Tag der Disputation: 04. Mai 2015 Selbstst¨andigkeitserkl¨arung Hiermit erkl¨are ich an Eides Statt, dass ich die vorliegende Arbeit selbstst¨andig und ohne fremde Hilfe angefertigt, keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt und die den benutzten Quellen w¨ortlich oder inhaltlich entnommenen Stellen als solche kenntlich gemacht habe. Diese Arbeit hat in gleicher oder ¨ahnlicher Form noch keiner Prufungsbeh¨ ¨orde vorgelegen. Berlin, 18. Dezember 2014 Abstract Wind storms globally pose the most important natural hazard from a socio-economic per- spective. For the European continent, it is especially winter storms related to synoptic- scale extra-tropical cyclones that often affect several countries at the same time bearing high risk of cumulative loss. Societal and economic stakeholders are interested in differ- ent aspects regarding these phenomena. On the one hand, (re-)insurance loss modeling requires high spatio-temporal resolution information for winter storms that happened in the past as well as physically consistent scenarios of storm events that could happen. On the other hand, socio-economic planning activities would benefit from any reliable information regarding the frequency of damage-prone storm events for the upcoming seasons and years. The current thesis addresses three aspects in this context: (i) It further develops an objective impact-oriented identification scheme regarding such wind storms. (ii) State- of-the-art decadal climate forecasts are analyzed whether they can provide skillful pre- dictions of Northern Hemisphere winter storm frequency. (iii) A statistical downscaling approach is developed, efficiently estimating high resolution surface gusts from coarse reanalysis and model data. All three topics are successfully tackled. The objective identification procedure is advanced in several aspects, including a more sophisticated spatio-temporal tracking of identified storms. The actual revision of the scheme is applied to the ERA-Interim-reanalysis, yielding the first consistent global climatology of recent wind storm climate. In this context, it is shown that the algo- rithm is also suitable for other than its core target, that is extra-tropical winter storms. Properties of different storm types are compared, revealing several interesting facts. An exemplary result is the systematically higher translation velocity related to greater travel distances of winter storms over the North Pacific when compared to the North Atlantic, resulting into higher storm frequencies for many locations in that region although storm genesis is generally less frequent than over the North Atlantic. After applying the identification scheme to current decadal climate forecasts based on one specific general circulation model, these are found to offer skillful predictions re- garding the average winter storm frequency of the upcoming five to ten years for large parts of the northern-hemispheric extra-tropics. However, most of the current skill arises from external forcing of greenhouse gas and aerosol concentrations. This means that the enormous effort of initialization provides very limited added value, in particular for the entrance regions of the stormtracks, the Eastern Mediterranean, and parts of the Arctic. Based on a novel approach for correcting potential model drifts and systematic com- binations of various hindcast experiments, several different initialization strategies are compared in this respect. However, no significant differences are found in this context. All strategies considered yield the same level of prediction skill. Statistical downscaling of European winter storm events diagnosed in any type of grid- ded data set { reanalysis, numerical weather prediction, or climate simulations such as the previously diagnosed decadal predictions { can be performed efficiently by means of the approach developed in this thesis. The method is based on a Stepwise Linear Re- gression scheme. Thorough analyses on optimal predictors yield a combination of wind magnitudes and vector components as well as their squares derived from a wider envi- ronment (up to 300 km) of the respective location to be most appropriate. The method outperforms all other approaches tested, including a recently published simple statistical model providing not only better estimations of the \average" winter storm gust, but also more appropriately discriminating the core storm field against areas featuring compara- bly weak gusts. The statistical downscaling results are complemented by a reasonable quantitative assessment of its uncertainties, accounting for the heteroscedasticity of the predictands, i.e. the surface gusts. The synthesis of these three major efforts represents a substantial advance in research on winter wind storms over Europe and the Northern Hemisphere. Zusammenfassung Sturmereignisse stellen global die, aus sozio-¨okonomischer Perspektive, bedeutendste Form von Naturkatastrophen dar. Fur¨ Europa sind es insbesondere Wintersturme¨ als intensive extra-tropische Zyklonen, die zumeist mehrere L¨ander gleichzeitig betreffen und damit ein hohes Risiko hinsichtlich sog. Kumul-Schadensereignisse darstellen. Ver- schiedene Aspekte bzgl. dieser Ereignisse sind von Relevanz fur¨ gesellschaftliche und wirtschaftliche Akteure. Einerseits erfordert beispielsweise die Schadensmodellierung von Ruckversicherern¨ r¨aumlich und zeitlich hoch aufgel¨oste Informationen uber¨ vergangene Wintersturme¨ und entsprechende physikalisch konsistente Szenarien von m¨oglichen Er- eignissen. Auf der anderen Seite k¨onnten verschiedenste gesellschaftliche und ¨okonomische Planungen von verl¨asslichen Informationen uber¨ die H¨aufigkeit schadentr¨achtiger Stur- mereignisse in den n¨achsten Monaten und Jahren profitieren. Die vorliegende Dissertation besch¨aftigt sich erfolgreich mit drei Aspekten in diesem Zusammenhang: (i) Sie stellt einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung eines objektiven Verfahrens zur Identifikation von potentiell schadenverursachenden Sturmer- eignissen dar. (ii) Dekadische Klimaprognosen werden hinsichtlich ihrer Vorhersagegute¨ in Bezug auf die Frequenz von Wintersturmen¨ uber¨ der Nordhemisph¨are hin untersucht. (iii) Sie stellt eine neues Verfahren zur statistischen Ableitung hoch aufgel¨oster boden- naher Windb¨oen aus (r¨aumlich) grob aufgel¨osten Reanalyse- und Modelldaten vor. Das objektive Identifikationsverfahren wurde in mehrfacher Hinsicht verbessert, insbe- sondere wurde die raum-zeitliche Verfolgung identifizierter Ereignisse weiter entwickelt. Die aktuellste Version dieses Algorithmusses wird auf Daten der ERA-Interim-Reanalyse angewendet. Das Ergebnis ist die erste konsistente globale Analyse der Klimatologie potentiell schadentr¨achtiger Sturmereignisse. In dem Zusammenhang kann gezeigt wer- den, dass das (weiter-)entwickelte Verfahren auch fur¨ andere Sturmereignisse als extra- tropische Wintersturme¨ sinnvoll anwendbar ist. Die Eigenschaften verschiedener Sturm- typen werden verglichen. Eine der wesentlichen dabei erzielten Erkenntnisse ist jene hin- sichtlich systematisch h¨oherer Zuggeschwindigkeiten und damit weiter zuruckgelegter¨ Distanzen von nordpazifischen Wintersturmen¨ im Vergleich zum Nordatlantik, was dazu fuhrt,¨ dass in vielen Bereichen des Nordpazifiks fur¨ den gegebenen Ort die Frequenz von Wintersturmen¨ h¨oher ist, obwohl die um die Fl¨ache bereinigte Anzahl entstehender Sturmereignisse geringer ausf¨allt als im Nordatlantikraum. Die Anwendung des Identifikationsverfahrens fur¨ aktuelle dekadische Vorhersagen ei- nes spezifischen Klimamodells erm¨oglicht die quantitative Untersuchung der Gute¨ dieser Prognosen. Es zeigt sich, dass fur¨ große Teile der außertropischen Nordhemisph¨are be- lastbare Vorhersagen bzgl. der durchschnittlichen Frequenz von Wintersturmen¨ fur¨ die kommenden 5 bis 10 Jahre getroffen werden k¨onnen. Allerdings entstammt ein Großteil dieser Vorhersagbarkeit den externen Antrieben von Treibhausgasen und Aerosolkonzen- trationen. Der enorme Aufwand der j¨ahrlichen Initialisierung von Vorhersageensembles generiert nur fur¨ vergleichsweise wenige Regionen einen Zusatznutzen. Diese sind die Ein- gangsbereiche der beiden nordhemisph¨arischen stormtracks, sowie eine Region ¨ostlich des Mittelmeers und Teile der Arktis. Die Verwendung eines neuartigen Verfahrens zur Kor- rektur eventueller Modelldrifts und die systematische Kombination verschiedener Hin- dcast-Experimente erlaubt zudem den Vergleich unterschiedlicher Initialisierungsstrate- gien. Es zeigt sich allerdings, dass keine der bisher verwendeten Strategien deutliche Vorteile hinsichtlich der Vorhersagegute¨ gegenuber¨ anderen generiert. Europ¨aische Wintersturmereignisse, die in beliebigen gegitterten Datens¨atzen (Reana- lysen, numerische Wettervorhersagen oder Klimasimulationen, wie die zuvor behandel- ten dekadischen Prognosen) identifiziert wurden, k¨onnen mithilfe eines neu entwickelten Verfahrens effizient statistisch regionalisiert werden. Das zugrundeliegende Verfahren ist jenes der Schrittweisen Linearen Regression. Grundliche¨ Analysen