Universiẗat, Diss., 2001--Kiel.

Global climate models simulate a robust increase of global mean precipitation of about 1.5 to 2% per Kelvin surface warming in response to greenhouse gas (GHG) forcing.Here, it is shown that the sensitivity to aerosol cooling is robust as well, albeit roughly twice as large. This larger sensitivity is consistent with energy budget arguments. At the same time, it is still considerably lower than the 6.5 to 7% K−1 decrease of the water vapor concentration with cooling from anthropogenic aerosol because the water vapor radiative feedback lowers the hydrological sensitivity to anthropogenic forcings. When GHG and aerosol forcings are combined, the climate models with a realistic 20th century warming indicate that the globa lmean precipitation increase due to GHG warming has, until recently, been completely masked by aerosol drying. This explains the apparent lack of sensitivity of the global mean precipitation to the net global warming recently found in observations. As the importance of GHG warming increases in the future, a clear signal will emerge.

In dem Teilprojekt von KliWES – Klimawandel und Wasserhaushalt wurden die wasserhaushaltsrelevanten Klimaelemente aus Stationsdaten in die Fläche übertragen. Regionalisiert wurden die Beobachtungsdaten der sachsenweit verfügbaren Klima- und Niederschlagsstationen von 1961 bis 2010 sowie die projizierten Stationsdaten des Regionalmodells WETTREG2010 von 1961 bis 2100. Die Übertragung erfolgte mit Hilfe von geostatistischen Verfahren. Im Ergebnis liegen flächendeckende meteorologische Daten für den Beobachtungszeitraum 1961 bis 2010 und für den Projektionszeitraum 1961 bis 2100 als Rasterdaten mit einer Auflösung von 1 km x 1 km vor. Die berechneten flächendeckenden Klimadaten bilden eine belastbare Datengrundlage für die Wasserhaushaltsmodellierungen im Projekt KliWES.

Simulations alternatively assuming a landscape with and without urbanization plus open-cast mining were performed with a non-hydrostatic model. lt is examined whether the atmospheric response to landuse changes is sensitive to the direction of the geostrophic wind. The results of simulations with the same geostrophic wind direction show that except for the cloud and precipitating particles the daily domain-averages of the variables of state hardly differ for the different landscapes. Nevertheless, the local weather may be affected appreciably over and downwind of the altered surfaces. The significant differences in the cloud and precipitating particles, however, are not bound to the environs of the landuse changes. Generally, the most significant differences occur for the cloud and precipitation particles, the soil wetness factors and the vertical component of the wind vector. The latter changes strongly influence the cloud and precipitation formation by the interaction cloud microphysics-dynamics. The results also indicate that for most of the quantities the local magnitude of the atmospheric response changes for the various directions of the geostrophic wind. However, the differences of the domain-averaged 24h-accumulated evapotranspiration are similar for all geostrophic wind directions. / Um zu untersuchen, ob die atmosphärische Antwort auf Landnutzungsänderungen sensitiv zur Richtung des geostrophischen Windes ist, wurden Simulationen durchgeführt, bei denen alternativ eine Landschaft mit und ohne Urbanisierung plus Tagebauten angenommen wurde. Die Simulationsergebnisse zeigen, daß - außer für Wolken- und Niederschlagspartikel - die täglichen Gebietsmittelwerte der Zustandsvariablen sich kaum für die beiden Landschaften unterscheiden. Trotzdem kann das lokale Wetter merklich über und im Lee der Oberflächen mit veränderter Landnutzung beeinflußt werden. Die signifikanten Differenzen in den Wolken- und Niederschlagspartikeln sind jedoch nicht an die unmittelbare Nähe der Landnutzungsänderungen gebunden. Generell treten die signifikanten Unterschiede bei den Wolkenund Niederschlagspartikeln, der Bodenfeuchte und der Vertikalkomponente des Windvektors auf. Letztere beeinflussen stark die Wolken- und Niederschlagsbildung durch die Wechselwirkung Wolkenmikrophysik-Dynamik. Die Ergebnisse zeigen außerdem, daß lokal der Grad der atmosphärischen Reaktion für die meisten Größen bei unterschiedlicher Richtung des geostrophischen Windes anders ausfällt. Die Differenzen der Gebietsmittelwerte der 24h-akkumulierten Evapotranspiration gleichen sich jedoch für alle Richtungen des geostrophischen Windes.

Die Modellierung eng begrenzter konvektiver Starkniederschlagsgebiete mit mesoskaligen numerischen Wettervorhersagemodellen ist durch die enorme Bandbreite der möglichen Zellverteilungen stets auf eine bestimmte Problemstellung beschränkt. Zahlreiche Autoren haben sich der Untersuchung superzellulärer Strukturen mithilfe idealisierter Strömungssimulationen gewidmet, um deren Entwicklung in unterschiedlichen atmosphärischen Umgebungen zu beschreiben (Atkins et al., 1999, Bluestein & Weisman, 2000, unter anderen). Im vorliegenden Artikel wird die Sensitivität der simulierten Niederschlagsintensität in Bezug auf verfügbare Labilitätsenergie, Umgebungswindverhältnisse sowie Einfluss orografischer Erhebungen näher betrachtet. Das dazu verwendete LMK mit 2:8km Gitterweite wurde ohne eine parametrisierte Behandlung der konvektiven Prozesse betrieben. Die Modellergebnisse der Simulationen mit idealisierten Eingangsbedingungen werden mit denen einer Fallstudie eines konvektiven Starkniederschlagsereignisses am 16.06.2006 in Sachsen bewertet. / Due to the huge variety of possible cell distributions, the simulation of small-scale heavy convective precipitation events using mesoscale numerical weather prediction models is limited to a certain issue of investigation. Numerous authors addressed the examination of supercellular structures by idealized ow simulations to describe their behaviour under various atmospheric conditions (Atkins et al., 1999, Bluestein & Weisman, 2000, among others). The presented paper studies the sensitivity of simulated precipitation intensity in response to the available amount of instability, environmental wind speed and -shear as well as orographic in uences. For this purpose, the LMK model with 2:8km grid spacing has been applied without a parameterized treatment of convective processes. The model results of the simulations involving idealized initial conditions are reviewed related to a case study of a severe storm event in Saxony on June, 16th 2006.

Deep convective clouds frequently produce very intense precipitation which may lead to localised flooding, depending on the duration of the event. Because of its nature, the lifetime of a convective cell is limited by a number of factors, one of which is characterised by the reduction of available convective potential due to compensating subsidence in the vicinity of the cloud. This paper addresses the estimation of the upper limit of convectively generated precipitation for given atmospheric initial conditions. The presented idealised one-dimensional cloud model is based on the principle of balanced mass-fluxes in each model layer. The precipitation intensity is derived via a commonly used saturation adjustment scheme neglecting microphysical processes. The condensation rate critically depends on the magnitude of convective lifting inside of the cloud which is computed from the vertical component of the equations of motion. The influences of water loading and mass entrainment of air are incorporated. Finally, the results of a sensitivity study are presented which illustrate the dominating effects that confine the lifetime and intensity of an idealised heavy precipitation convective storm. / KonvektiveWolken mit großer vertikaler Erstreckung verursachen häufig intensive Niederschläge, welche wiederum abhängig von der Andauer zu lokalen Überschwemmungen führen können. Aufgrund seiner Natur wird die Lebensdauer einer konvektiven Zelle durch mehrere Faktoren begrenzt, zu denen auch die Verringerung des verf¨ugbaren konvektiven Potenzials durch ausgleichende Absinkbewegungen außerhalb der Wolke zählt. Dieser Artikel behandelt die Abschätzung der Obergrenze konvektiv erzeugbaren Niederschlags für gegebene atmosphärische Ausgangsbedingungen. Das vorgestellte idealisierte eindimensionale Wolkenmodell beruht auf dem Konzept eines ausgeglichenen Massenflusses in jeder Modellschicht. Die Niederschlagsintensität wird durch ein vielfach verwendetes Sättigungsanpassungsschema abgeleitet, worin mikrophysikalische Prozesse vernachlässigt werden. Die Kondensationsrate hängt in großem Maße von der Stärke der konvektiven Hebung innerhalb der Wolke ab, welche aus der vertikalen Komponente der Bewegungsgleichungen berechnet wird. Die Einflüsse von Niederschlagslast und Masse eingemischter Luft werden berücksichtigt. Abschließend werden die Ergebnisse einer Sensitivitätsstudie vorgestellt, worin die dominierenden Effekte veranschaulicht werden, die Lebenszeit und Intensität einer idealisierten Starkniederschlagszelle eingrenzen.

Um niederschlagsbildende Prozesse in der Atmosphäre zu verstehen, können Probleme heute neben theoretischen und experimentellen Ans¨atzen auch mit Hilfe kleinskaliger Wettermodelle erörtert werden. Die Fragestellung dieser Arbeit konzentriert sich auf die Vorhersage von konvektivem Niederschlag in orografisch unterschiedlich gegliederten Geländeformen, um Aussagen über das Verhalten von konvektionsauslösenden Parametern in labiler Atmosphäre abhängig von der Orografie treffen zu können. Für die konvektive Wetterlage vom 7.7.2006 wurden Simulation mit der originalen Erzgebirgsorografie, einem künstlichen Bergrücken und flachem Gelände durchgeführt. Es konnte festgestellt werden, dass die Auslösung von Konvektion an Anstiege und Bergrücken gebunden ist, ihr weiterer Verlauf jedoch unabhängig von der Orografie stattfindet. / To understand the processes that produce precipitation, today problems can not only be discussed in theoretical or experimental approaches, but also with the help of mesoscale Weatherprediction-Models. This papers main question concentrates on the forecast of convective precipitation in different orographical structured areas, to gain statements about the behavoir of convection-triggering parameters in instable atmosphere in dependence on the orography. For the convective weather conditions on 7.7.2006 there have been made simulations with the original Erzgebirge-Orography, an artificial ridge and a flat area. It could be determined that the activation of convection is coupled to slopes and ridges, but the development of convective precipitation is independent from the orography.

Orographically enhanced precipitation played a major role in the flooding event in August 2002 in the Eastern Erzgebirge mountains. Both global and mesoscale models underestimated local intensities even with the correct position of the associated large-scale front. The limited area model LM of the DWD has been used in a sensitivity study of orographic precipitation involving an idealized bell-shaped orography. The dependence of precipitation on different determining parameters is investigated, with special emphasis on layer stability and wind structure. With the operational horizontal grid spacing of about 7 km, the LM simulations reproduce common distributions of vertical velocity and precipitation for uniformly stratified flows of varying stability. Highest rates are computed for stratiform cases with decreasing stability at higher levels and for convective environments. Both situations differ from the wave-like appearance of the uniformly stratified flows. Several vertical profiles of horizontal wind velocity structure are found to significantly influence magnitude and vertical decay of upward motion. Simplified profiles of the Eastern Erzgebirge mountain range and atmospheric conditions comparable to that of the flooding event are introduced to estimate the orographically-induced precipitation in a homogeneous flow. These numerical simulations are compared with values computed by the diagnostic maximum precipitation model MAXRR. Due to the relatively coarse grid in LM, small-scale differences through enhanced orographic lift cannot be resolved. Nevertheless, the amounts observed in this flooding case are reproduced with the high-resolution diagnostic model. / Orografisch verstärkter Niederschlag im Bereich des Osterzgebirges spielte eine große Rolle bei der Entstehung des Elbehochwassers im August 2002. Sowohl globale als auch mesoskalige Vorhersagemodelle unterschätzten die lokalen Niederschlagsintensitäten trotz richtiger Positionierung des synoptisch-skaligen Frontenzuges. Zur Untersuchung der Gründe wurde das Lokalmodell des DWD für eine Sensitivitätsstudie bezüglich orografisch beeinflussten Niederschlags im Bereich eines idealisierten Glockenberges verwendet. Die Abhängigkeit des Niederschlags von verschiedenen Kontrollparametern wurde untersucht, mit besonderer Beachtung von Schichtungsstabilität und Horizontalwindstruktur. Bei Verwendung der operationellen Gitterweite von 7 km reproduzieren die Simulationen mit dem LM die bekannten Verteilungen von Vertikalwind und Niederschlag für unterschiedliche Schichtungen mit höhenkonstanten Temperaturgradienten. Die höchsten Niederschlagsraten ergeben sich jedoch für stratiforme Aufgleitprozesse im Fall von abnehmender Stabilität in mittleren und hohen Bereichen der Troposphäre sowie für konvektive Umgebungen, in beiden Fällen mit signifikanter Änderung des Vertikalwindfeldes verglichen mit der zuvor erwähnten Strömung. Der Einfluss des Vertikalprofils des horizontalen Windes auf Stärke und vertikale Abschwächung der Aufwärtsbewegung muss beachtet werden. Schließlich wurden die Sensitivitätsstudien ausgedehnt auf ein vereinfachtes Höhenprofil des Osterzgebirges. Als Ausgangssituation wurden dabei die atmosphärischen Bedingungen verwendet, die mit denen des Hochwasserereignisses vergleichbar sind. Diese numerischen Simulationen wurden mit Werten des einfachen diagnostischen Maximalniederschlagsmodells MAXRR verglichen. Entsprechend der relativ groben Gitterweite des LM können kleinräumige Unterschiede durch verstärkte orografische Hebung nicht wider gegeben werden, wogegen die beobachteten Niederschlagsmengen des Hochwasserereignisses mithilfe des hoch aufgelösten diagnostischen Modells erreicht werden.

Globalmodelle sind aufgrund ihres groben Gitters (60 x 60 km) nur unzureichend in der Lage kleinskalige Prozesse (orographische Niederschlagsverstärkung) in der Atmosphäre aufzulösen. Mit Mesoskalenmodellen z.B. dem GESIMA (5 x 5 km) können deshalb die physikalische Grundlagen der Atmosphäre (Wolken- und Niederschlagsbildung) besser studiert und eine Kopplung mit hydrologischen Abflussmodellen erprobt werden. Zukünftig sieht dieses Projekt genau das vor, wobei der erste Teil, die Arbeit mit dem meteorologische Modell hier vorgestellt werden soll. Starkniederschlagserreignisse sind vielerorts auf der Welt mit charakteristischen Wetterlagen verbunden, die quasi über Tage unverändert ergiebigen Regen produzieren. Initialisiert mit den lokalen Vertikalprofilen aus Radiosondendaten, produzieren das prognostische Mesoskalenmodell GESIMA und das diagnostische Niederschlagsberechungsverfahren (MAXRR) maximale Regenmengen vergleichbarer Größenordnung. / Global models are insufficient to solve small scale atmospheric processes (e.g. orographic precipitation) due to their gross resolution (60 x 60 km). With mesoscale models e.g. the GESIMA (5 x 5 km), the physical fundamentals of the atmosphere (formation of precipitation and clouds) can better be studied and a coupling with hydrological models be tested through. This project plans exactly, as a first step, the work with the cited meteorological model. Heavy rainfall events are connected with characteristic weather conditions in many places in the world which produce invariably rain quasi over days. Initialized with the local vertical profiles from radiosonde data, the prediction model GESIMA and the diagnostic model MAXRR produced rain quantities of comparable order of magnitude.

Das Lokalmodell (LM) wurde für eine Reihe von Sensitivitätsuntersuchungen bezüglich orografischer Beeinflussung von Niederschlag verwendet. Für die Initialisierung des Modells mit Anfangs- und Randdaten wurde ein Schema entwickelt, welches eine horizontal homogene und stationäre Strömung aus einem einzelnen Vertikalprofil der benötigten atmosphärischen Variablen erstellt. Dabei wird hier auch der horizontale Luftdruckgradient berücksichtigt, wodurch eventuelle Auswirkungen der Coriolisterme auch ohne eine sehr große Entfernung des Zielgebietes vom Modellrand untersucht werden können. Simulationen mit idealisierten Eingangsfeldern können zur Verdeutlichung des Einflusses eines orografischen Hindernisses auf das dreidimensionale Strömungsfeld dienen. Außerdem sind sie zur Validierung bestimmter Parametrisierungen geeignet, da sich im Gegensatz zu realen Randdaten keine überlagerten synoptisch-skaligen Störungen im Modellgebiet befinden. Die hier verwendete Konvektionsparametrisierung nach Tiedtke (1989) zeigt unterschiedlich ausgeprägte Niederschlagsverteilungen und Flächenmittel in Abhängigkeit von der unterliegenden Orografie. / The Lokalmodell (LM) has been used for a series of sensitivity studies treating orographic modification of precipitation. An initialization technique has been developed which generates a horizontally homogeneous and stationary flow out of a single vertical profile of the required atmospheric variables. Herein, the horizontal pressure gradient is considered as well, allowing to investigate the influence of the Coriolis terms without the need for the area under investigation to be far away from the model boundaries. Simulations with idealized initialization fields can help to illustrate the influence of orographic obstacles on the three-dimensional flow field. Furthermore, they enable to validate certain parameterizations because of the missing synoptic-scale disturbances, which are present using real boundary data. The chosen parameterization of convection after Tiedtke (1989) shows different distributions of precipitation and its area-averaged values depending on the underlying orography.