Lagrangian Dynamics of European heat waves

Hitzewellen sind meteorologische Extremereignisse mit gesundheitlichen und soziookonomischen Auswirkungen. In einem sich verandernden Klima ist zu erwarten, dass diese Ereignisse zunehmen werden. Modernste numerische Wettervorhersagemodelle sind in der Lage, das Auftreten von Hitzewellen vorherzusagen. Beginn, Dauer, Ende und Ausmas der Ereignisse stellen jedoch nach wie vor eine Herausforderung fur die Vorhersagemodelle dar und das grundlegende Verstandnis der Entstehung und Aufrechterhaltung von Hitzewellen ist noch immer nicht vollstandig. Daher wird in dieser Arbeit untersucht, wie sich hohe oberflachennahe Temperaturen wahrend Hitzewellen und die damit verbundenen obertropospharischen Zirkulationsmuster entwickeln. Daruber hinaus wird die Vorhersagbarkeit ausgewahlter Hitzewellen untersucht. Die erste Fallstudie analysiert die spatsommerliche Hitzewelle uber Europa im Jahr 2016. Mittel-, West- und Sudwesteuropa sind in erster Linie von den hohen Temperaturen betroffen. Sevilla (Spanien) erlebt am 5. September 2016 mit 44,8°C die hochste jemals gemessene Temperatur im September und in Trier (Deutschland) erreichen die Temperaturen am 13. September 2016 34,2°C. Die Hitzewelle ist durch drei deutliche Spitzenwerte gekennzeichnet, begleitet von Rekordwerten der geopotentiellen Hohe in 500 hPa und, in geringerem Mase, der Temperatur in 850 hPa. Diese Spitzenwerte stehen im Zusammenhang mit der Ankunft von hochamplitudigen Rossby-Wellenpaketen in Westeuropa. Letztere entstehen einige Tage vor dem Ereignis uber dem Westen Nordamerikas. Wahrend der drei Peaks der Hitzewelle ist nicht die lokale Temperaturadvektion, sondern das Absinken und die daraus resultierende adiabatische Kompression in der freien Atmosphare in Kombination mit Grenzschichtprozessen fur das Auftreten der extremen Temperaturepisoden verantwortlich. Operationelle Ensemblevorhersagen zeigen in Bezug auf die Modellklimatologie die hochsten Wahrscheinlichkeiten fur extreme Temperaturen in Trier, gefolgt von Sevilla und Bordeaux. Die Entwicklung hoher oberflachennaher Temperaturen wahrend Hitzewellen wird fur den Zeitraum von 1979 bis 2016 fur verschiedene Klimazonen in Europa analysiert. Hitzewellen werden mit Hilfe eines auf einem Perzentil basierenden Index definiert und die Hauptprozesse, die entlang der Trajektorien quantifiziert werden, sind die adiabatische Kompression durch Absinken sowie lokale und entfernte diabatische Prozesse in der oberen und unteren Troposphare. Diese Lagrangesche Analyse wird durch eine Euler'sche Berechnung der horizontalen Temperaturadvektion erganzt. Wahrend typischer Sommer in Europa treten ein oder zwei Hitzewellen mit einer durchschnittlichen Dauer von funf Tagen auf. Wahrend hohe oberflachennahe Temperaturen uber Skandinavien von omega-ahnlichen Verteilungen der geopotentiellen Hohe in 500 hPa begleitet werden, sind Hitzewellen uber dem Mittelmeer mit vergleichsweise flachen Rucken verbunden. Wenn die Luftmassen von den Hitzewellen ruckwarts verfolgt werden, konnen drei Trajektoriencluster mit koharenten thermodynamischen Eigenschaften, vertikalen Bewegungen und geographischen Ursprungen identifiziert werden. In allen Regionen ist die horizontale Temperaturadvektion eher vernachlassigbar. In zwei der drei Cluster ist das Absinken in der freien Atmosphare sehr wichtig, um hohe Temperaturen nahe der Oberflache zu erzeugen, wahrend sich die Luftmassen im dritten Cluster hauptsachlich aufgrund der diabatischen Erwarmung nahe der Oberflache erwarmen. Grose interregionale Unterschiede treten zwischen den Britischen Inseln und Westrussland auf. In der letztgenannten Region scheinen oberflachennaher Transport und diabatische Erwarmung sehr wichtig fur die Bestimmung der Intensitat der Hitzewellen zu sein, wahrend fur die Britischen Inseln Absinken und adiabatische Erwarmung von Bedeutung sind. Obwohl das grosraumige Muster wahrend der Hitzewellentage quasi-stationar ist, werden wahrend des Lebenszyklus einer Hitzewelle standig neue Luftmassen in die untere Troposphare transportiert. Insgesamt bieten die Ergebnisse dieser Analyse einen Leitfaden, auf welche Prozesse und Diagnoseverfahren sich Wetter- und Klimastudien konzentrieren sollten, um die Schwere von Hitzewellen zu verstehen. Auf die klimatologische Analyse hoher Oberflachentemperaturen wahrend Hitzewellen folgt eine Lagrangesche Analyse von obertropospharischen Antizyklonen, die in verschiedenen europaischen Regionen im Zeitraum von 1979 bis 2016 mit bodennahen Hitzewellen in Verbindung stehen. Um die Bildung dieser Antizyklonen und die Rolle diabatischer Prozesse zu klaren, werden Luftpakete ruckwarts von den obertropospharischen Antizyklonen verfolgt und das diabatische Heizen in diesen Luftpaketen quantifiziert. Etwa 25-45 % der Luftpakete werden in den letzten drei Tagen vor ihrer Ankunft in den obertropospharischen Antizyklonen diabatisch geheizt, und dieser Anteil steigt in den letzten sieben Tagen auf 35-50 %. Der Einfluss des diabatischen Heizens ist bei hitzewellenbedingten Antizyklonen in Nordeuropa und Westrussland groser und in Sudeuropa kleiner. Interessanterweise findet das diabatische Heizen in zwei geographisch getrennten Luftstromen statt. Drei Tage vor der Ankunft befindet sich ein diabatisch geheizter Luftstrom (entfernter Luftstrom) uber dem westlichen Nordatlantik und der andere diabatisch geheizte Luftstrom (nahe gelegener Luftstrom) uber Nordwestafrika/Europa sudwestlich der obertropospharischen Zielantizyklone. Das diabatische Heizen im entfernten Luftstrom steht im Zusammenhang mit warm conveyor belts in nordatlantischen Zyklonen stromaufwarts des sich entwickelnden obertropospharischen Ruckens. Im Gegensatz dazu wird der nahegelegene Luftstrom durch Konvektion diabatisch geheizt, was durch eine erhohte konvektiv verfugbare potenzielle Energie entlang der Westseite der starker ausgepragten obertropospharische Antizyklone deutlich wird. Die meisten europaischen Regionen werden von beiden Luftstromen beeinflusst, wahrend Westrussland uberwiegend vom nahe gelegenen Luftstrom betroffen ist. Der entfernte Luftstrom beeinflusst vorwiegend die Bildung der obertropospharischen Antizyklone und damit der Hitzewelle, wahrend der nahe Luftstrom wahrend der Aufrechterhaltung der Antizyklone aktiver ist. Bei lang anhaltenden Hitzewellen regeneriert sich der entfernte Luftstrom wieder. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die dynamischen Prozesse, die zu Hitzewellen fuhren, moglicherweise empfindlich auf kleinskalige mikrophysikalische und konvektive Prozesse reagieren, deren genaue Darstellung in Modellen daher fur die Vorhersage von Hitzewellen auf Wetter- und Klimazeitskalen entscheidend sein durfte. Die Arbeit schliest mit der Vorhersagbarkeit einer lang anhaltenden Hitzewelle, die vom 24. Juli bis zum 9. August 2018 weite Teile Mitteleuropas erfasste. Sowohl 3- als auch 7-tagige operationelle Vorhersagen unterschatzen oft die uber das Gebiet der Hitzewelle gemittelten 2-m-Temperaturen. Fehler auf der 7-Tage-Zeitskala hangen mit der Dynamik in der oberen Troposphare zusammen, wie eine konsistente Unterschatzung der geopotentiellen Hohe von 500 hPa zeigt. Allerdings sind die Fehler von 500 hPa geopotentieller Hohe bei 3-Tages-Vorhersagen erheblich reduziert, und fur diese Vorlaufzeit hangen die Vorhersagefehler mit physikalischen Prozessen entlang der Trajektorien zusammen. In einem neuen und einzigartigen Ansatz, der auf einer Kombination von Trajektorien aus Reanalysen und Vorhersagen basiert, wird festgestellt, dass 2-m-Temperaturfehler von 3-Tages-Vorhersagen hauptsachlich auf diabatische Prozesse in der planetaren Grenzschicht zuruckzufuhren sind. Bei Vorhersagen, die die 2-m-Temperatur unterschatzen, wird die diabatische Erwarmung entlang von Trajektorien zwischen 12 und 18 UTC erheblich unterschatzt. Der Temperaturfehler am Ort der Hitzewelle ist auf die planetare Grenzschicht beschrankt und in der freien Atmosphare deutlich reduziert.