Eine synergetische Analyse radar-basierter Dopplergeschwindigkeiten und polarimetrischer Indikatoren für mikrophysikalische Prozesse

• Antragstellerin: Raquel Evaristo, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397721665

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt wurden Windfelder mittels einer Multi-Doppler-Technik (Open Source Code: Pythonic Direct Data Assimilation PyDDA) für einige konvektive Ereignisse im Raum Bonn ermittelt. Die vertikale Komponente des Windes wurde mit einem im Projekt entwickelten Ansatz validiert. Dabei wird die aus dem BoXPol Vertikalscan gewonnene Dopplergeschwindigkeit verwendet, die terminale Fallgeschwindigkeit der Hydrometeore korrigiert, um sie mit dem Windfeld aus PyDDA zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung der beiden Methoden in niedrigen und mittleren Höhen, aber unterschätzen den Aufwind in höheren Höhen, im Einklang mit früheren Studien, die die Fehler von Multi-Doppler- Techniken bewerteten. Anhand der Ergebnisse wurden die Wechselwirkungen zwischen der Dynamik konvektiver Zellen und anderen Konvektionsparametern untersucht, z.B. die Beziehung zwischen Aufwinden und Zdr-Säulen (schmale vertikale Säulen mit erhöhter differentieller Reflektivität (Zdr)). Bisher gab es kaum empirische Beobachtungen, die diese beiden Bereiche miteinander verbinden. Es zeigte sich eine systematische räumliche Überlagerung von Zdr-Säulen und Aufwinden sowie Blitzeinschlägen, die ein weiterer Indikator für Konvektion sind. Erwartungsgemäß wurde eine Tendenz festgestellt, dass stärkere und größere Aufwinde mit höheren und größeren Zdr-Säulen verbunden sind. Jedoch wurde eine große Variabilität von Zelle zu Zelle beobachtet, sodass keine allgemeingültige Beziehung abgeleitet werden kann. Fehlerquellen in den Windmessungen und in der Zdr-Säulenhöhe können das Ergebnis beeinflussen, liegen aber in der Natur der Radarmessungen und sind mit dem aktuellen Setup und Instrumenten nicht vermeidbar. Die Komplexität der Kinematik und Mikrophysik hängt möglicherweise von spezifischen Merkmalen ab, die sich von Zelle zu Zelle unterscheiden (wie Modellierungsstudien mit verschiedenen CCN-Konzentrationen andeuten). Hinsichtlich der Auswirkungen der Konvektion an der Oberfläche zeigte sich, dass die Niederschlagsintensität mit der Höhe und dem Volumen der Zdr-Säulen zusammenhängt, wobei keine Vorlaufzeit für diese Beziehung gefunden wurde. Für ein bestimmtes Ereignis, das in Köln zu Überschwemmungen führte, gab es jedoch eine Vorlaufzeit von 20 Minuten zwischen der Spitze der Zdr-Säulengröße (Volumen und Fläche) und der Oberflächenintensität (Gates mit einer Reflektivität größer 50 dBZ). Schließlich wurde analysiert, wie Zdr-Säulen und Aufwinde mit der Blitzaktivität zusammenhängen. Verglichen wurden Zellen mit und ohne Blitzsprung (LJ) in ihrem Lebenszyklus. LJ werden als plötzlicher Anstieg der Blitzrate definiert und wurden bereits mit Unwettern assoziiert. Die Ergebnisse bestätigten, dass Parameter, die mit der Intensität und Schwere der Zelle zusammenhängen, bei Zellen mit einem LJ, stärker ausgeprägt sind, d.h. sie haben größere und breitere Zdr-Säulen, längere Lebensdauern, intensivere Aufwinde, höhere Reflektivitätswerte und größere Reflektivitätskerne.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Characteristics of updrafts and relationship to the development of hail and Zdr columns, 3rd European Hail Workshop, 15-18 March 2021, online workshop.
  Evaristo, R., Simmer, C., Trömel, S. & Muehlbauer, K.
  
• Validation of Wind Fields Retrieved by Dual-Doppler Techniques Using a Vertically Pointing Radar, International Radar Symposium, 21-22 June 2021, online.
  Evaristo, R., Reinoso-Rondinel, R., Trömel, S. & Simmer,C.
  
• Validation of Wind Fields Retrieved by Dual-Doppler Techniques Using a Vertically Pointing Radar. 2021 21st International Radar Symposium (IRS), 1-7. IEEE.
  Evaristo, Raquel; Reinoso-Rondinel, Ricardo; Tromel, Silke & Simmer, Clemens
  
• A synergetic approach to study Differential Reflectivity Columns for precipitation, 11th European Conference on Radar in Meteorology and Hydrology, 29 August-2nd September 2022, Locarno, Switzerland.
  Evaristo, R., Reinoso-Rondinel, R., Chen, J.Y. & Trömel, S.
  
• Evaluation of modelled summertime convective storms using polarimetric radar observations. Atmospheric Chemistry and Physics, 22(11), 7593-7618.
  Shrestha, Prabhakar; Trömel, Silke; Evaristo, Raquel & Simmer, Clemens
  
• Evolution of Lightning Activity, Zdr Column Properties, and Updrafts, AMS General Meeting , 23-27 Jan 2022 Houston, Texas, USA.
  Evaristo, R., Reinoso-Rondinel, R. & Trömel, S.
  
• Information content of differential reflectivity columns for precipitation nowcasting, EGU General Assembly, 23-27 May 2022, Vienna, Austria.
  Evaristo, R., Reinoso-Rondinel, R., Crijnen, F., Chen, J.Y. & Trömel, S.
  
• Link between Lightning activity and Properties of Zdr columns, 30th Conference on Severe Local Storms, 24-28 October 2022, Santa Fe, NM, USA.
  Evaristo, R., Reinoso-Rondinel, R. & Trömel, S.
  
• Comparing Dynamics and Microphysics of Modeled and Observed Convective Events Using a Polarimetric Forward Operator, 40th AMS Conference on Radar Meteorology, 28 August–01 September 2023, Minneapolis, MN, USA.
  Evaristo, R., Shrestha, P. & Trömel, S.
  
• Fusion of radar polarimetry and atmospheric modeling. Advances in Weather Radar. Volume 2: Precipitation science, scattering and processing algorithms, 293-344. Institution of Engineering and Technology.
  Trömel, Silke; Blahak, Ulrich; Evaristo, Raquel; Mendrok, Jana; Neef, Lisa; Pejcic, Velibor; Scharbach, Tobias; Shrestha, Prabhakar & Simmer, Clemens