Post on 13-Jan-2020
KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft
Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-TRO) Center for Disaster Management and Risk Reduction Technology (CEDIM)
www.kit.edu
Hagelrisiko in Deutschland: Was wir wissen und was wir nicht wissen Michael Kunz, Manuel Schmidberger, Elody Fluck, Heinz Jürgen Punge, Susanna Mohr, David Piper, Jan Wandel
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Hagelsturm Andreas, 2013 Radar-Komposit (Radarverbund DWD + KIT-Radar, Zellverfolgung TRACE3D) 28. Juli 2013
triggering
supercell formation; change in direction
geogr. Länge (°)
geog
r. B
reite
(°)
Höh
e
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Hagelstürme 2013 Deutschland
2-4 cm 6-7 cm > 8 cm
27 Juli 28 Juli
Data:
6 August
Hannover Wolfsburg
Stuttgart
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
© Marco Kaschuba
14 cm
Gesamtschaden 4.2 Mrd. € Versicherter Schaden nur 27.+28.07.: 2.8 Mrd. €
(Swiss Re, 2014)
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Schwergewitter: Schäden
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
Deutschland
Wohngebäudeversicherung: Schadenaufwand nach Gefahren 2002 - 2015
Sturm + Hagel Elementarschäden
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Schwergewitter: Schäden
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
Hagel 49,1%
Überflutung 27,1%
Sturm 17,6%
Schneedruck 5,1% Rutsch, Lawinen
1,1%
USA
Zürich
Annual Losses
Tornado
Hail
Straight-line Wind
Schadenanteil Gebäude 2006-2015
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Herausforderungen und Fragestellungen
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
Keine direkten, operationellen Hagelmessungen in Deutschland
Methoden zur Ableitung von Hagelwahrscheinlichkeiten? Ursachen der räumlichen Variabilität der Häufigkeit? Umgebungsbedingungen vor/bei Hagelstürmen? Lang-zeitliche Änderung des Hagelpotentials?
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Hagelbildung
Kleinräumig: Wolkenmikrophysik 10-5 – 100 m
Großräumig: Dynamik ~1-1000 km
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Hagelbildung
Kleinräumig: Wolkenmikrophysik 10-5 – 100 m
Großräumig: Dynamik ~1-1000 km
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
Heterogenes Gefrieren: IN
Geopotential 500 hPa
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Hagelwachstum in Gewitterwolken
Kondensation durch Konden- sationskerne (CCN)
Heterog. Nukleation: Eiskristall
Hagelwachstum durch schnelles Bereifen der Hagelembryos
Bereifung durch Akkreszenz unter- kühlter Tröpfchen: Graupel / gefrorene Tropfen (Hagelembryo)
(Straka, 2009; Pruppacher and Klett, 2010; Houze, 2014)
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
Kondensation
Kollission- Koaleszenz Wolken/Regentropfen
Nukleation/ Gefrieren
Akkreszenz
schnelle Akkreszenz
Aufwind
-38°C
0°C
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Hagelwachstum in Gewitterwolken
Hagelstriche: kleinräumig (∅: 40 km²; Changnon, 1970)
⇒ Dichte Stationsnetz zu gering für verläss- liches Monitoring
(Straka, 2009; Pruppacher and Klett, 2010; Houze, 2014)
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
-38°C
0°C
Kondensation
Eisbildung, Hagelembryos
Hagel- wachstum
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Proxy I: Konvektives Überschießen Eindringen konvektiver Wolken in untere Stratosphäre: overshooting top (OT) Proxy für starke konvektive Aufwinde Detektion über MSG SEVIRI 10.8 μm IR Strahlungstemperatur (Bedka, 2011; Punge et al., 2014)
Meteosat (MSG): SEVIRI cloud top temperatures 28 Juli 2013, 13-17 UTC
28.07.2013
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Häufigkeit OT Ereignisse Häufigkeit OT Ereignisse; MSG SEVIRI 2004 – 2014, April-Sept.
(Punge et al., 2017; submitted to ARe)
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
Anzahl OT Ereignisse pro Jahr und 1000 km²
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Häufigkeit OT Ereignisse Häufigkeit OT Ereignisse; MSG SEVIRI 2004 – 2014, April-Sept. Filterung OTs während ungünstiger Umgebungsbedingungen (ERA) − Filterung über Perzentile
geeigneter Größen − Definition Perzentile aus
Meldungen ESWD
(Punge et al., 2017; submitted to ARe)
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
Anzahl gefilterte Ereignisse pro Jahr und 1000 km²
Über/Unterschreitung Schwellwerte CAPE Cross-Totals CT Bulk wind shear Schmelzschichthöhe
CAPE
0°C Höhe
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Satelliten-basierte Hagelklimatologie
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
Kombination Satellitendaten (MSG SEVIRI) und Reanalysen (ERA-Interim)
(Punge 2015)
2004 – 2014
Anzahl Ereignisse pro Jahr und 100 km²
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
Radar: hohe räumliche / zeitliche Auflösung,
Spektrum
Methoden:
Maximum Reflektivität
Vertikalerstreckung Zellverfolgung, Advektionskorrektur
Kalibrierung mit Hagelbeobachtungen
geogr. Länge (°)
geog
r. Br
eite
(°)
Höh
e
28. Juli 2013
Proxy II: Radar-Reflektivität
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Radar-basierte Hagelklimatologie
Anzahl Tage mit Hagelsignal (2D/3D Radar Reflektivität) (Fluck, 2017; Schmidberger, 2017)
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
Deutschland 2005-2015
Frankreich 2005-2014
Ursachen der räumlichen Variabilität?
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Hagelhäufigkeit vs. Orografie Strömungsdynamik: Umströmungsregime, Strömungskonvergenz bodennah
Froude Zahl Fr
rela
tive
Häu
figke
it in
%
HNUFr =
(Kunz and Puskeiler, MZ, 2010)
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
Histogramm Fr an Hageltagen SW
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Hagelhäufigkeit vs. Orografie Semi-idealisierte COSMO-DE Simulationen Initialisierung: mittleren Umgebungs- bedingungen an Hageltagen (Fr ~ 0.6)
Strömungskonvergenz Konvektive verfügbare Energie CAPE
CON
12. April 2017 Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu
(Köbele, 2014)
DIV
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Umgebungsbedingungen Zusammenhang Hagelzüge und Hagelkorndurchmesser?
12. April 2017 Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu
(Baumstark, 2017)
Zuordnung Hagelbeobachtungen ESWD und radar-detektierte Zugbahnen
14
12
10
8
6
4
2
Dur
chm
esse
r D in
cm
14
12
10
8
6
4
2
Dur
chm
esse
r D in
cm
<25 25-50 50-100 100-150 >150 Länge in km
-45 -75 -105 -135 -165 -195 -225 -255 -285 -315 -345 -15 Zugrichtung in °
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
Umgebungsbedingungen Hagelzüge Composite Lifted Index als fkt(L, D)
Hag
elko
rndu
chm
esse
r (E
SW
D)
Länge Zugbahn
< 3 cm 3-4 cm ≥ 5 cm
< 50 km 50-100 km > 100 km
8
0
-8
K
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
Umgebungsbedingungen Hagelzüge Composite Windscherung 0-6 km als fkt(L, D)
Länge Zugbahn
Hag
elko
rndu
chm
esse
r (E
SW
D)
< 3 cm 3-4 cm ≥ 5 cm
< 50 km 50-100 km > 100 km
20
10
0
m s-1
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Umgebungsbedingungen Zusammenhang Hagelzüge und Kaltfronten?
12. April 2017 Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu
(Baumstark, 2017)
Kaltfronten 2005-2014 ERA-Interim-Reanalysen (Schemm et al., 2015)
Thermodyn. Frontenparameter
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Umgebungsbedingungen Zusammenhang Hagelzüge und Kaltfronten?
12. April 2017 Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu
Anteil frontaler Hagelzüge pro 0.5° x 0.5° ERA-Interim-Reanalysen / Radarzugbahnen
(Baumstark, 2017)
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Hagel in Europa - ein unterschätztes Risiko kunz@kit.edu 21.12.2015
Risikoschätzung: CAT-Modeling Hagelrisikomodelle für Versicherungswirtschaft
Risiko = Gefährdung x Exposition x Vulnerabilität
Ereigniskatalog
Stoch. Modellierung z.B. 10 000 Jahre
Intensität
Sch
aden
grad
Portfolio
10%
Schadenfunktion
Portfolio, Objektdaten
(Daniell, 2013)
Ere
igni
ssch
aden
in €
PML200
10-1 100 101 102 103 Wiederkehrperiode in Jahren
Risiko: wahrscheinlicher Höchstschaden
Stationarität oder Trend
(Klimawandel)?
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
12. April 2017
Zeitliche Änderung Schwergewitter
Erwärmung (Klimawandel)
Erhöhte Verdunstung
Zunahme Konvektionsenergie
Zunahme Häufigkeit / Intensität Gewitter
Dynamik, Wetterlage
?
?
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Konvektions- / Gewitterpotential in Europa Lineare Trends 90% Perzentile konvektionsrelevanter Parameter
Zunahme Konvektionsenergie v.a. durch Zunahme Feuchte Radiosonden: 1978-2009
(Mohr and Kunz, ARE, 2013)
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
Perzentile aus Gamma- / Weibull-Verteilung Eliminierung Autokorrelation: trend-free pre-whitening
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Logistische Regression Logistisches Hagelmodel LHM
Potential Hail Index (PHI)
mit
Statistisches Hagelmodell
Mohr, Kunz, and Keuler, JGR, 2015) (Mohr, Kunz, and Geyer, GRL, 2015
SLI: Lifted Index Tmin: Min. Temp. 2 m T2m: 12 UTC Temp. 2 m oWL: objektive Wetter- lagen
12. April 2017 Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
Hagelpotential in Europa (1951-2010) Logistisches Hagelmodell
1951-2000
Reanalysis, driven by NCEP–NCAR 1 (@ HZG)
II decr
ease
in
crea
se
(Mohr, Kunz and Geyer, GRL, 2015)
not significant
Trend Mittel
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
Hagelpotential in Europa (1951-2010) Logistisches Hagelmodell
(Mohr, Kunz and Geyer, GRL, 2015)
1951-2000
Reanalysis, driven by NCEP–NCAR 1 (@ HZG)
II
Mittel
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Hagelpotential Zukunft
Mini-Ensemble basierend auf 7 RCM (@ IMK) (verschiedene SRES, Realisierungen, RCM)
2021-2050 vs 1971-2000
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017
(Mohr, Kunz, und Keuler, JGR, 2015)
Abna
hme
Z
unah
me
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Schlussfolgerungen Schadenpotentiale durch Schwergewitter regional erheblich; Größter mittlerer Jahresschaden bei Gewittern durch Hagel
Abschätzung Hagelgefährdung aus Fernerkundungsdaten physikalisch plausibel und robust
− Radar-Daten (2D/3D), Satelliten IR Wolkenoberfläche (OT)
Hohe räumliche Variabilität Gewitter-/Hagelgefährdung, v.a. durch
− Orografie (Maxima bevorzugt stromab der Mittelgebirge)
− Klimatologie (v.a. Stabilität, Wetterlagen, Fronten)
Zunahme Gewitter-/Hagelpotential in Vergangenheit und nahen Zukunft. Änderungssignale aber oft statistisch nicht signifikant!
Hagelrisiko in Deutschland kunz@kit.edu 12. April 2017