Einfluss atmosphärischer Umgebungsbedingungen auf den Lebenszyklus konvektiver Zellen in der Echtzeit-Vorhersage / / von Jannik Wilhelm.

• VerfasserIn: Wilhelm, Jannik,
• Place / Publishing House: Karlsruhe, Baden : : KIT Scientific Publishing,, [2022]; ©2022
• Year of Publication: 2022
• Language: German
• Series: Wissenschaftliche Berichte des Instituts für Meteorologie und Klimaforschung des Karlsruher Instituts für Technologie ; Band 85
• Physical Description: 1 online resource (428 pages). :; illustrations.

Präzise Warnungen vor den Begleiterscheinungen von Gewittern sind für Präventionsmaßnahmen unerlässlich. Die dynamische Entwicklung von Gewitterzellen führt oft zu einer großen Diskrepanz zwischen den Echtzeit-Vorhersagen der Wetterdienste und den beobachteten Wetterbedingungen. Daten eines Zellverfolgungsalgorithmus werden mit Modellanalysen kombiniert, um den Lebenszyklus von Gewittern in Deutschland zu analysieren und Verfahren für die Echtzeit-Vorhersage zu entwickeln und zu evaluieren. - Precise warnings of the accompanying effects of thunderstorms are essential for preventive measures. The dynamic development of thunderstorm cells often leads to a large discrepancy between the real-time forecasts (nowcasts) of weather services and the observed weather conditions. Data from a cell tracking algorithm are combined with model analyses to investigate the life cycle of thunderstorms in Germany and to develop and evaluate procedures useful for thunderstorm nowcasting.

Table of Contents

Kurzfassung . i -- 1 Einleitung und wissenschaftliche Fragestellungen 1 -- 2 Theoretischer Hintergrund und thematische Einordnung 15 -- 2.1 Entstehungsmechanismen hochreichender Konvektion 16 -- 2.1.1 Adiabatische Zustandsänderungen in der Atmosphäre 16 -- 2.1.2 Vertikalbewegungen in der Atmosphäre . 24 -- 2.2 Gewittersysteme und ihr Lebenszyklus 38 -- 2.2.1 Isolierte Konvektion - Einzelzellen . 39 -- 2.2.2 Multizelluläre Konvektion 45 -- 2.2.3 Isolierte Konvektion - Superzellen 50 -- 2.2.4 Mesoskalige konvektive Systeme 63 -- 2.3 Atmosphärische Umgebungsvariablen, Kenngrößen und -- konvektive Indizes 70 -- 2.4 Lebenszyklen konvektiver Zellen und Multi-Daten-Ansatz . 75 -- 3 Methoden der Statistik und des maschinellen Lernens . 83 -- 3.1 Korrelations- und Hauptkomponentenanalyse 84 -- 3.1.1 Korrelationsanalyse 85 -- 3.1.2 Hauptkomponentenanalyse 87 -- 3.2 k-Medoids-Clustering . 90 -- 3.3 Statistische Verfahren zur Vorhersage 93 -- 3.3.1 Lineare Regression 93 -- 3.3.2 Logistische Regression 96 -- 3.3.3 Nicht-linearer Polynomansatz 101 -- 3.4 Der Random Forest 105 -- 3.4.1 Regressionsbäume 105 -- 3.4.2 Klassifikationsbäume . 110 -- 3.4.3 Der Random Forest als Kombination von -- Entscheidungsbäumen 111 -- 3.5 Methoden zur Aufbereitung der Datensätze . 116 -- 3.5.1 Mathematische Transformationen 117 -- 3.5.2 Resampling zur Balancierung von Datensätzen . 119 -- 3.6 Gütemaße für die Evaluation . 125 -- 3.6.1 Kategorische Evaluation . 126 -- 3.6.2 Kontinuierliche Evaluation 134 -- 4 Datengrundlage und Methoden der Datenaufbereitung . 137 -- 4.1 Daten aus dem radarbasierten Verfahren KONRAD . 138 -- 4.1.1 Radarmessungen des Deutschen Wetterdienstes . 138 -- 4.1.2 Der Zellverfolgungsalgorithmus KONRAD . 143 -- 4.2 Daten aus dem Modell COSMO . 149 -- 4.2.1 Kurzbeschreibung von COSMO . 149 -- 4.2.2 Datenassimilation für COSMO 153 -- 4.2.3 Assimilationsanalysen von COSMO-EU . 155 -- 4.3 Methoden der Datenaufbereitung . 156 -- 4.3.1 Erstellung zusammenhängender Lebenszyklen aus -- den Daten des Zellverfolgungsalgorithmus KONRAD 157 -- 4.3.2 Filterung der Daten des -- Zellverfolgungsalgorithmus KONRAD . 160 -- 4.3.3 Berechnung von Umgebungsvariablen aus den -- COSMO-Modelldaten 173 -- 4.3.4 Zusammenführung der Zellverfolgungs- und -- Modelldaten . 178 -- 5 Lebenszyklus und Umgebungsbedingungen -- konvektiver Zellen 187 -- 5.1 Statistische Analyse der Zellobjekte . 187 -- 5.1.1 Merkmale der Zellattribute 187 -- 5.1.2 Beschreibung des Lebenszyklus der Zellobjekte . 196 -- 5.2 Analyse der Umgebungsbedingungen 206 -- 5.2.1 Statistische Merkmale der Umgebungsvariablen . 206 -- 5.2.2 Korrelationsanalyse und Clustering der -- Umgebungsvariablen . 212 -- 5.3 Einfluss von Umgebungsbedingungen auf Zellattribute . 217 -- 5.3.1 Univariate Analysen . 217 -- 5.3.2 Bivariate Analysen 230 -- 6 Vorhersageverfahren: Entwicklung und Evaluation 237 -- 6.1 Besonderheiten in der Datenvorbehandlung und der -- Evaluation . 240 -- 6.1.1 Datenvorbehandlung zur Anwendung der -- Vorhersageverfahren . 241 -- 6.1.2 Bedingte Evaluation und spezielle -- Ensembleevaluation . 244 -- 6.2 Erste Modellstudie mit zwei Prädiktoren: DLS und LI 250 -- 6.2.1 Beschreibung der ersten Modellstudie 250 -- 6.2.2 Evaluation der ersten Modellstudie 253 -- 6.3 Modellstudien zur Vorhersage der Lebensdauer . 268 -- 6.3.1 Evaluation von Klassifikationsverfahren zur -- Vorhersage der Lebensdauer . 269 -- 6.3.2 Evaluation von Regressionsverfahren zur -- Vorhersage der Lebensdauer . 279 -- 6.4 Modellstudien zur Vorhersage der maximalen Zellfläche 291 -- 6.4.1 Evaluation von Klassifikationsverfahren zur -- Vorhersage der maximalen Zellfläche 291 -- 6.4.2 Evaluation von Regressionsverfahren zur -- Vorhersage der maximalen Zellfläche 297 -- 7 Zusammenfassung, Diskussion und Ausblick . 305 -- Akronymverzeichnis . 317 -- Literaturverzeichnis . 321 -- A Kurzbeschreibung relevanter konvektiver Indizes . 349 -- B Sensitivitäten für die Modellstudie U2_0 353 -- C Abschätzung der Variabilität der Lebensdauer im -- Parabelmodell 367 -- D Ergänzende Abbildungen . 371 -- E Ergänzende Tabellen 389 -- Danksagung 395.