Analyse der vertikalen PV-Struktur extratropischer Zyklonen - CCES

Analyse der vertikalen PV-Struktur
extratropischer Zyklonen
Bachelorarbeit am
Institut für Atmosphäre und Klima der ETH Zürich
Natalie Fischer
Betreuer: Prof. Dr. Heini Wernli
Juni 2013

Die Abbildung auf der Titelseite aus Wernli et al. (2002) zeigt die 2 PVU Isofläche des
Wintersturms Lothar am 26. Dezember um 06 UTC. Die Fläche ist mit den Werten der
potentiellen Temperatur koloriert.

Zusammenfassung
Extratropische Zyklonen haben einen grossen Einfluss auf das Wetter und Klima in den
mittleren Breiten. Intensive extratropische Zyklonen können im Zusammenhang mit ihren
starken Winden und intensiven Niederschlägen Schäden in Milliardenhöhe verursachen
und viele Menschenleben fordern.
Die Entwicklung einer Zyklone kann mithilfe der Veränderung des vertikalen Profils der
potentiellen Vorticity (PV) untersucht werden. Aufgrund der Stärke und Anordnung der
PV-Anomalien kann auf die Intensität des Sturmes geschlossen werden.
Nehmen die PV-Werte in einer vertikalen Säule durch die Troposphäre durchgehend anomal
hohe Werte ein (> 1 PVU), spricht man von einem ’PV tower’. Die Struktur dieses
’Turmes’ setzt sich aus 3 unterschiedlichen Anomalien zusammen: eine stratosphärische
Intrusion, eine in der unteren Troposphäre diabatisch gebildeten PV-Anomalie und eine
warme Oberflächenanomalie der potentiellen Temperatur Θ, die einer positiven PV
Anomalie entspricht.
Diese Arbeit analysiert und vergleicht die PV-Profile fünf unterschiedlicher extratropischer
Zyklonen. Die für die Analyse dieser Arbeit gewählten Stürme, Daria (1990),
Lothar (1999), Quimburga (2004), Kyrill (2007) und Xynthia (2010), zeigten alle starke
Intensivierungen auf und verursachten zahlreiche Schäden in Europa. Als Datengrundlage
dienten ERA-Interim Daten des ECMWF, die 6-stündlich mit einer horizontalen
Auflösung von 1° × 1° vorliegen. Die PV-Profile wurden in einem Umkreis mit einem
Radius von 200 km um das Zyklonenzentrum berechnet. Dies jeweils in einem Zeitraum
von 24 Stunden mit 6-stündlichen Zeitschritten.
Die vertikale PV-Struktur ist bei allen fünf Stürmen vergleichbar; es zeigt sich eine Zunahme
der PV-Werte durchgehend durch die ganze Troposphäre und eine Senkung der
Tropopause. Die Ausprägung und vertikale Anordnung der PV-Anomalien ist ausschlaggebend
für die Intensität der Stürme. Besonders wichtig sind die diabatischen Prozesse
in der unteren Troposphäre, welche die tiefen PV-Anomalien erzeugen. Es zeigte sich
in allen fünf Stürmen eine ausgeprägte PV-Anomalie in der unteren Troposphäre mit
einem Maxiumum von ca. 1.8 PVU, welche die Wichtigkeit der diabatischen Prozesse in
intensiven Stürmen mit rapiden Intensivierungen bestätigt.
Um die Aussagekraft der PV-Profile zu untersuchen, wurden ausgewählte Profile und
ganze Profilentwicklungen mit Abbildungen aus dem IWAL und mit früheren Studien
(für die Stürme Lothar und Kyrill) verglichen. Obwohl es viele Parallelen in den Resultaten
gab, zeigte sich, dass es durch den Gebrauch von verschiedenen Daten und Methoden
schnell zu unterschiedlichen Resultaten kommen kann.
i

Abstract
Extratropical cyclones exert a strong influence on the weather and climate of middle
and hight-latitude regions. They can have large socioeconomic impacts associated with
their strong wind and heavy precipitation events.
The development of a cyclone can be analysed with a so called ’PV-tower analysis’. The
intensity of a storm can be discussed by looking at the change of the PV values. If the
PV values are higher than 1 PVU throughout the whole troposphere, the structure is
referred to as a PV tower. The PV tower consists of three distinct positive PV anomalies:
An upper-level stratospheric intrusion, a low-tropospheric diabatically produced PV
anomaly and a warm surface anomaly of potential temperature Θ that corresponds to a
positive PV anomaly.
This bachelor thesis analysed the PV profile of five different winterstorms and compared
them with each other. The five cyclone cases selected, Daria (1990), Lothar (1999),
Quimburga (2004), Kyrill (2007) and Xynthia (2010), all showed strong intensification
and led to severe damage in Europe. This thesis is based on the ECMWF ERA-Interim
dataset, that are available every six hours with a horizontal resolution of 1° × 1° on
several vertical levels.
The vertical PV structures of the storms were similar: they showed a increase of the PV
value throughout the whole troposphere and a lowering of the dynamical tropopause.
The strenght and the location of the PV anomalies determines the intensification of the
storms. Essential for the production of low-level PV anomalies are the diabatic processes.
All five storms showed a pronounced low-tropospheric PV anomaly of approximately 1.8
PVU; this confirmed the importance of diabatic processes for rapid storm intensifications.
Further, the results of the PV tower analysis were compared with figures from the IWAL
and earlier studies from the literature on the storms Lothar and Kyrill. Although there
were many similarities in the results, it was found that by the use of different data and
methods the results can vary.
iii

Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abstract
i
iii
1. Einleitung 1
1.1. Wahl der Stürme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Motivation, Fragestellung und Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2. Theoretische Grundlagen 5
2.1. Extratropische Zyklonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1. Zugbahn einer Zyklone (Sturmtrack) . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2. Potentielle Vorticity (PV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.1. PV-Anomalie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2. PV-Tower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3. Daten und Methoden 11
3.1. Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2. Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.3. IWAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4. Resultate und Diskussion 13
4.1. Druckentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.2. Analyse der vertikalen PV-Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.3. Vergleich mit Grafiken aus dem IWAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.4. Vergleich mit früheren Studien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.4.1. Lothar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.4.2. Kyrill . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.5. Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
A. PV-Profile mit 3 Zeitschritten für den Vergleich 33
B. Kyrill I und II in den IWAL Grafiken 34
C. Tracking des Sturms Kyrill 35
Literatur 37
v

Abbildungsverzeichnis
2.1. Norwegisches Zyklonenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2. Sturmtracks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.1. Beispielsbild IWAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.1. Druckentwicklung Kyrill . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.2. Druckentwicklung der untersuchten Stürme . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.3. PV-Profil Daria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.4. PV-Profil Lothar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.5. PV-Profil Quimburga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.6. PV-Profil Kyrill . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.7. PV-Profil Xynthia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.8. PV-Profile mit 5 Zeitschritten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.9. Abbildungen aus dem IWAL des Sturms Lothar . . . . . . . . . . . . . . 23
4.10. PV-Profil Xynthia mit zusätzlichem Zeitschritt . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.11. Vertikaler Querschnitt der PV/relativen Feuchte . . . . . . . . . . . . . . 25
4.12. Entwicklung des minimalen Druckes Lothar’s . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.13. △PV-Profil unterschiedlich starker Zyklonen . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Tabellenverzeichnis
1.1. Betroffene Länder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
4.1. Zuordnung der Farbe der Profilkurven zu den jeweiligen Zeitschritten. . . 15
4.2. Ausschnitt aus dem Tracking des Sturms Kyrill . . . . . . . . . . . . . . 19
vi

Abkürzungen
Folgende Abkürzungen werden in der Arbeit gebraucht:
Englisch
Deutsch
ECMWF European Centre for Medium Europäisches Zentrum für mittelfristige
Range Weather Forecasts Wettervorhersage
ERA ECMWF ReAnalysis Reanalyse des ECMWF
PV potential vorticity potentielle Vorticity
PVU potential vorticity unit Einheit der potentiellen Vorticity
SLP sea level pressure Druck auf Meereshöhe
UTC Coordinated Universal Time koordinierte Weltzeit
vii

viii

1 EINLEITUNG
1. Einleitung
Winterstürme in den mittleren Breiten weisen ein grosses Zerstörungspotential auf. Sie
zählen zu den grössten Naturgefahren und können grosse Schäden von mehreren Milliarden
Franken verursachen und auch Menschenleben gefährden.
Aus diesem Grund ist das Verständnis für die Entstehung und Entwicklung eines Sturmes
und die dazugehörigen Prozesse von grosser Wichtigkeit. Besonders auch für eine
rechtzeitige und verlässliche Vorhersage des Sturmes.
1.1. Wahl der Stürme
Die in dieser Arbeit betrachteten Stürme wurden aus der Liste des IMILAST (Intercomparison
of midlatitude storm diagnostics) ausgewählt 1 . In jener Liste befinden
sich 22 verschiedene Stürme der mittleren Breiten aus den Jahren 1990 bis 2012. In
dieser Arbeit werden fünf Winterstürme analysiert, die in einem Zeitraum von 20 Jahren
auftraten (1990 bis 2010). Bei der Auswahl wurde darauf geachtet, dass zwischen den
Stürmen mindestens drei Jahre liegen, um unterschiedliche meteorologische Bedingungen
zu garantieren. Des Weiteren war die Stärke des Sturmes und die Auswirkungen auf die
Umwelt ausschlaggebend für die Wahl.
Nach Betrachtung der genannten Punkte wurden folgende Stürme gewählt:
•Daria 25-01-1990 Germany+ 19-01-90 00UTC - 28-01-90 18UTC
•Lothar 26-12-1999 France+.. 20-12-99 00UTC - 29-12-99 18UTC
•Quimburga 19-11-2004 Slovakia+ 13-11-04 00UTC - 22-11-04 18UTC
•Kyrill 18-01-2007 Germany+ 12-01-07 00UTC - 21-01-07 18UTC
•Xynthia 28-02-2010 France+ 23-02-10 00UTC - 04-02-10 18UTC
Das Datum in der zweiten Spalte repräsentiert den Tag, an welchem der jeweilige
Sturm seine maximale Intensität erreicht hat. Die letzte Spalte enthält die Zeitperiode,
in welcher der Sturm erfasst werden konnte (Tracking; siehe Abb.2.2). Der Sturm war
nicht zwingend in der gesamten angegebenen Zeitperiode identifizierbar; andererseits
kann die Lebenszeit des Sturmes auch über diese Zeitperiode hinausgehen. Die 3. Spalte
zeigt die von den Stürmen betroffenen Länder. Hierzu in Tabelle 1.1 eine ausführlichere
Auflistung 2 .
Nun werden im folgenden Abschnitt einige Fakten und Zahlen zu den gewählten Stürmen
vorgestellt.
Der Sturm Kyrill überquerte Europa mit katastrophalen Wettererscheinungen und verheerenden
Folgen. In einer Broschüre 3 des Deutschen Wetterdienstes (DWD) wurden
1 http://www.proclim.ch/imilast/intercomparison.html; letzter Zugriff am 01. Juni 2013.
2 http://www.speedwellweather.com/Pages/Others/EuWindstormSupport.aspx; letzter Zugriff am 01.
Juni 2013.
3 DWD, 2007: Der Orkan Kyrill - Ein Menetekel der Klimaänderung? Faltblatt des DWD.
1

1.1 Wahl der Stürme 1 EINLEITUNG
Daria
Lothar
Quimburga
Kyrill
Xynthia
GB, Frankreich, Belgien, Niederlande, Luxemburg, Deutschland
Frankreich, Schweiz, Deutschland, Österreich
GB, Belgien, Niederlande, Deutschland
Irland, Frankreich, Niederlande, Deutschland, GB, Belgien, Österreich
Belgien, Dänemark, Frankreich, England, Deutschland, Polen, Portugal,
Spanien, Schweden, GB
Tabelle 1.1: Betroffene Länder
hierzu einige Zahlen genannt. Kyrill wütete über den europäischen Kontinent mit Windgeschwindigkeiten
über 100 km/h im Flachland und mit über 200 km/h im Bergland. Er
kam mit starken Niederschlägen von bis zu 90 l/m 2 einher, forderte 39 Todesopfer und
verursachte Schäden von 5-7 Milliarden Euro in Europa. Das ungewöhnliche an Kyrill
im Vergleich zu anderen Stürmen mit ähnlich starken Winden und Niederschlägen war,
dass in ganz Deutschland flächendeckend sehr hohe Windgeschwindigkeiten auftraten
und er so viel zerstörerischer auf sein Umfeld wirken konnte.
Der Sturm Lothar war ähnlich zerstörerisch. Lothar zog unter rascher Vertiefung und
Intensivierung über Nordfrankreich hinweg und bewegte sich weiter über Deutschland
bis nach Ostsachsen. In einem Bericht des DWD 4 wird vermerkt, dass die stärksten und
zerstörerischsten Winde nicht im Kernbereich lagen, sondern hinter der Okklusionsfront
auf der Südseite des minimalen Bodendruckes. Dabei trafen die Winde weite Teile Frankreichs,
der Schweiz und Süddeutschlands. Lothar war für die Schweiz das Naturereignis
mit den bisher grössten Schäden. Durch die starken Winde entstand in den Wäldern
Frankreichs 115 × 10 6 m 3 Sturmholz (dies entspricht 268 % der jährlichen Rodung), in
Deutschland 27 × 10 6 m 3 (69%) und in der Schweiz 12.8 × 10 6 m 3 (280%) (Wernli et al.,
2002). Auch der Sturm Lothar forderte mehrere Todesopfer und die Schäden beliefen
sich in der Schweiz auf ca. 1.8 Milliarden Franken. Im Flachland wurden Windspitzen
zwischen 140 und 170 km/h erreicht, in den Bergen bis zu 250 km/h (Steininger et al.,
2004).
Der Sturm Xynthia wies ebenfalls starke Böen auf, die viele Schäden verursachten, und
forderte über 60 Menschenleben. Das Besondere an Xynthia im Vergleich mit anderen
Stürmen war ihre aussergewöhnliche Zugbahn 5 . Xynthia zog nicht mit einer sonst üblichen
Westströmung nach Mitteleuropa, sondern bewegte sich von Südwesten her nach
Deutschland. Während die Stürme Lothar und Kyrill ein grosses Gebiet abdeckten, beschränkte
sich das Windfeld der Zyklone Xynthia auf wenige 100 km Breite 6 .
Der Sturm Quimburga hinterliess nach seinem Durchzug viele Schäden. In einer Fallstudie
des ZAMG 7 (Zentralinstitut für Meteorologie und Geodynamik; meteorologische
und geophysikalische Dienst Österreichs) wird darüber berichtet. Die Kaltfront zog von
Nordwesten her über Europa und kam mit starken Niederschlägen einher. Der Sturm
4 Orkantief ’Lothar’ vom 26.12.1999, Bericht des DWD.
5 Dr. Peter Bissolli, 2010: Orkansturm Xynthia über Südwest- und Westeuropa, Bericht des DWD.
6 http://www.unwetterzentrale.de/uwz/551.html; letzter Zugriff am 01. Juni 2013.
7 http://www.zamg.ac.at/eumetrain/EUMeTrain2006/Tatra/intro.htm; letzter Zugriff am 01. Juni
2013.
2

1.2 Motivation, Fragestellung und Ziele 1 EINLEITUNG
fegte mit hohen Windgeschwindigkeiten bis zu 170 km/h zum Zeitpunkt der maximalen
Intensität entlang der Lee Seite des Tatra Gebirges, dabei wurde eine Fläche von
annähernd 10’000 km 2 des Fichtenwaldes des Tatra-Nationalparks zerstört. Dadurch
wurden viele Strassen blockiert, Gebäude zerstört und auch Quimburga forderte einige
Menschenleben.
Der Sturm Daria wurde bekannt unter dem Namen ’The Burns Day storm’. In der
Studie von McCallum (1990) wird berichtet wie der Sturm am Geburtstag des Dichters
Robert Burns über dessen Geburtsort Ayrshire zog; daher der Name ’The Burns Day
storm’. Dieser Sturm erreichte von den fünf gewählten Stürmen den tiefsten Druck mit
949.5 hPa. McCallum nannte in seiner Arbeit eine maximale Böengeschwindigkeit bis zu
172 km/h (93 kn) und eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 120 km/h (65 kn). Über
einem weiten Bereich Südenglands wurden mehrere Böenspitzen von 167 km/h (90 kn)
gemessen. Die BBC berichtete 8 : Der Sturm Daria forderte etwa 100 Menschenleben,
davon 47 auf den Britischen Inseln.
1.2. Motivation, Fragestellung und Ziele
Das Verständnis der Dynamik und Struktur einer Zyklone ist wesentlich für eine zuverlässige
Wettervorhersage (Campa und Wernli, 2012). Viele verschiedene Charakteristiken
der Zyklonen wurden bereits analysiert (z.B Grösse, Intensität, Aktivität, Windstärken,
Niederschlag und Wolkenstruktur). Es gibt eine Vielzahl an Studien die sich mit Zyklonen
und ihren Eigenschaften beschäftigen (z.B. Browning 1997, Rossa et al. 2000, Field
and Wood 2007).
Die Struktur der potentiellen Vorticity wurde dahingegen erst wenig berücksichtigt. Zum
ersten Mal wurde die vertikale PV-Struktur in den Studien von Rossa et al. (2000) und
Wang und Rogers (2001) präsentiert. Rossa et al. haben sich mit der Entstehung und
dem darauf folgenden Zerfall eines ’PV towers’ (siehe Kapitel 2.2.2) beschäftigt, während
Wang und Rogers die explosive Zyklogenese studiert haben, mit dem Augenmerk
auf der Zyklonenstruktur und ihrer Entwicklung.
Das Ziel dieser Arbeit ist einen Einblick in die Forschung der Atmosphärendynamik
zu erhalten; vor allem im Bereich der extratropischen Zyklonen. Die Entwicklung der
vertikalen PV-Struktur soll mithilfe einer ’PV tower’ Analyse untersucht und besser verstanden
werden.
Mit vertikalen PV-Profilen fünf verschiedener Stürme sollen folgende Fragen beantwortet
werden:
- Wie verändert sich das PV-Profil im Laufe der Entwicklung?
- Gibt es auffällige Unterschiede in den PV-Profilen der fünf gewählten Stürme?
8 http://news.bbc.co.uk/onthisday/hi/dates/stories/january/25/newsid_3420000/3420797.stm; letzter
Zugriff am 01. Juni 2013.
3

1.2 Motivation, Fragestellung und Ziele 1 EINLEITUNG
4

2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN
2. Theoretische Grundlagen
Dieses Kapitel gibt einen kurzen Einblick in extratropische Zyklonen, erläutert den Begriff
der potentiellen Vorticity und erklärt, was man unter einem sogenannten ’PV-Tower’
versteht.
2.1. Extratropische Zyklonen
Einer der wichtigen meteorologischen Parameter, der zur Entstehung einer extratropischen
Zyklone beiträgt und diese weiter Richtung Mitteleuropa antreibt, ist der starke
meridionale Temperaturgradient in der Troposphäre zwischen den warmen Subtropen
und den kalten polaren Gebieten (Polarfront). Aus diesem Temperaturgradienten entwickelt
sich ein starker, nach Mitteleuropa gerichteter Jetstream in der oberen Troposphäre
(Wernli et al., 2002). Eine Konsequenz des Temperaturgradienten ist der polwärts gerichtete
Energietransfer (Field and Wood, 2007). Weitere wichtige Parameter sind einerseits
eine starke Divergenz im linken Auszugsgebiet des Jets in der oberen Troposphäre, die
zu einer raschen Entwicklung des Tiefs führt (Uccellini and Johnson, 1997; Baehr et al.,
1999), wie auch das Einfliessen von trockener Luft aus der oberen Troposphäre nahe
der Tropopause (Browning, 1997) und die Inklusion von anomal warmer und feuchter
Luftmassen in den Warmluftsektor des Tiefs (Chang et al., 1984). Pinto et al. (2009)
zeigten, dass eine starke Intensivierung meist im Zusammenhang mit dem Auftreten von
extremen Werten der genannten Parameter nahe des Kerns der Zyklone steht. Defant et
al. (1924) zeigten das diese Bedingungen häufig während der positiven Phasen der Nordatlantischen
Zirkulation (NAO) auftraten. Diese positive Phase der NAO ist mit einem
anomal starken Islandtief und einem ebenfalls starken Azorenhoch verbunden (Hurrell,
1995).
Der starke Einfluss der extratropischen Zyklonen auf das Wetter und Klima der mittleren
Breiten führte zu einem extensiven Studium dieser Systeme. Folglich entstand eine
Vielzahl an Arbeiten und Studien über die Entwicklung extratropischen Zyklonen und
ihre verschiedenen Charakteristiken. Ein erstes Modell der Enstehung und Entwicklung
einer Zyklone entstand aus den Arbeiten der norwegischen Meteorologen J. Bjerknes
(1919), T. Bergeron und H. Solberg. Dieses berühmte norwegische Zyklonenmodell (Abb.
2.1) skizziert den Lebenszyklus einer Zyklone in den mittleren Breiten: Im Stadium I
bildet sich eine anfänglich kleine Störung an der Polarfront aus. Diese Störung bewegt
sich im Laufe der Entwicklung in Richtung Osten. Es bildet sich ein anfangs noch wenig
ausgeprägter Wirbel aus und warme Luftmassen östlich des sich bildenden Zyklonenzentrums
strömen nordwärts; westlich davon strömt kalte Luft nach Süden. Diese zwei
unterschiedlichen Luftmassen bilden Fronten aus; die Kalt- und die Warmfront. Der Bereich
zwischen diesen zwei Fronten wird Warmsektor genannt (Stadium II). Im Laufe
der weiteren Entwicklung nimmt der Druck im Zentrum der Zyklone stark ab, während
sich der Warmsektor stetig verkleinert, da die Kaltfront schneller als die Warmfront um
die Zyklone rotiert (Stadium III). Im letzten Stadium (IV) wird die Warmfront am Boden
von der Kaltfront eingeholt und vollständig vom Boden abgehoben; es bildet sich
eine Okklusionsfront (Schultz and Wernli, 2001). Zum Zeitpunkt der Okklusion ist das
5

2.1 Extratropische Zyklonen 2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN
Tiefdruckgebiet am intensivsten. Im weiteren Verlauf der Entwicklung beginnt sich die
Zyklone aufzulösen.
Abbildung 2.1: Das norwegische Modell der Zyklonenentwicklung. Die Abbildung zeigt die 4
aufeinanderfolgenden Stadien in der Entwicklung einer extratropischen Zyklone. (Oben) Idealisierte
Fronten und Isobaren, grau unterlegt sind die Gebiete des Niederschlags. (Unten) Isotherme
(schwarz) und der Luftfluss (Pfeile). Die rote Pfeile zeigen den Fluss in den Warmsektor,
die blauen den Fluss in den Kaltsektor. Der rote Punkt markiert das Zentrum der Zyklone.
Abbildung entnommen aus ’Atmospheric Science (Second Edition)’ von Wallace und Hobbs
(2006).
Beschäftigte man sich zu Beginn der Forschung der extratropischen Zyklonen noch mit
zweidimensionalen Modellen, wurden im Laufe der Zeit viele verschiedene Parameter im
dreidimensionalen Raum untersucht und im heutigen Standpunkt der Forschung werden
allmählich Studien über extratropische Zyklonen im Zusammenhang mit der Klimaänderung
veröffentlicht. Ulbrich et al. (2009) beispielsweise berichtet über das aktuelle
Wissen möglicher Änderungen der extratropischen Zyklonen im Zusammenhang mit den
anthropogen verursachten Klimaänderungen. Bislang gibt es wenige Studien, die sich mit
dem Klimawandel und der Entwicklung der Stürme im zukünftigen Klima beschäftigen.
Die Studien sind sich oft nicht einig, selbst wenn mit den gleichen Daten gearbeitet
wird. Ein Grund dafür sind unterschiedliche Ansätze (bspw. für die Identifizierung oder
das Tracking der Zyklonen), die für diese Studien gebraucht werden. Des Weiteren sind
Zyklonen sehr komplexe dreidimensionale Gebilde der atmosphärischen Zirkulation mit
verschiedenen physikalischen Aspekten, die nicht mit einer simplen Annäherung erfasst
werden können (Ulbrich et al., 2009).
6

2.2 Potentielle Vorticity (PV) 2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN
2.1.1. Zugbahn einer Zyklone (Sturmtrack)
Mithilfe des minimalen Druckes im Zyklonenzentrum kann die räumliche Bahn der Stürme
aufgezeigt werden. Diese sogenannten Sturmtracks werden mit einem Tracking- Algorithmus
erhalten, der aus einem SLP-Feld die Minima ermittelt (Campa and Wernli,
2012). In Abbildung 2.2 sind die Zugbahnen der gewählten Stürme ersichtlich (siehe
dazu Kapitel 3.2)
Abbildung 2.2: Zugbahnen der Stürme Daria (hellgrün), Kyrill (magenta), Lothar (blau),
Quimburga (rot) und Xynthia (türkis).
2.2. Potentielle Vorticity (PV)
Die potentielle Vorticity hat sich als Schlüsselgrösse der Atmosphärendynamik entwickelt.
Seit der bahnbrechenden Arbeit von Hoskins et al. (1985) haben sich immer häufiger
Studien mit der potentiellen Vorticity beschäftigt um extratropische Zyklonen besser
zu verstehen. Whitaker et. al. (1988) haben sich beispielsweise mit der schnellen Entwicklungsphase
einer Zyklone beschäftigt und dabei die PV - Perspektive benutzt.
Die Definition der PV lautet (in kartesischen Koordinaten; Ertel 1942):
P = 1 ρ−→ η · −→
∇p Θ (1)
wobei ρ die Dichte, Θ die potentielle Temperatur, −→ η = −→ ∇ p × −→ v + 2 −→ Ω den Vektor der
absoluten Vorticity und Ω die Erdrotation darstellen.
Folgende Eigenschaften machen die potentielle Vorticity eine für die atmosphärischen
Wissenschaften attraktive und aussagekräftige Grösse:
1. In einer adiabatischen und reibungsfreien Strömung ist PV eine materielle Erhaltungsgrösse,
d.h. der PV-Wert eines Luftpakets bleibt unverändert, unabhängig
davon, wohin es sich bewegt (z.B. Hoskins et al. 1985).
2. Ist die PV-Verteilung der Atmosphäre und die Verteilung der potentiellen Temperatur
am Boden bekannt, können Druck-, Temperatur- und Windfeld bestimmt
werden. (z.B. Davis und Emanuel 1991; Davis et al. 1993; Hakim et al. 1996).
7

2.2 Potentielle Vorticity (PV) 2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN
Mit der Erhaltungseigenschaft ist es möglich die Entwicklungen, die durch Heizung
oder Reibung beeinflusst werden, zu verfolgen, während das Invertibilitätsprinzip für
die quantitative Messung dieser Effekte gebraucht werden kann (Davis and Emanuel,
1991).
2.2.1. PV-Anomalie
Die Theorie des folgenden Abschnittes stützt sich grösstenteils auf das Vorlesungsskript
von Wernli (2012).
Als PV-Anomalie bezeichnet man eine Abweichung von einer typischen klimatologischen
Verteilung der potentiellen Vorticity. Dabei sind positive PV-Anomalien mit einem zyklonalen,
negative jedoch mit einem antizyklonalen Windfeld verbunden. Eine PV-Anomalie
kann entweder durch diabatische oder adiabatische Prozesse erzeugt werden, wobei die
adiabatischen Prozesse hauptsächlich in der oberen und die diabatischen in der unteren
und mittleren Troposphäre stattfinden.
Kondensationsprozesse oder Reibung in einem Luftpaket verändern die PV-Werte der
Atmosphäre; es kommt zu PV-Erzeugung oder Vernichtung. Diabatisches Heizen ist ein
wichtiger Prozess im Bezug auf die potentielle Vorticity. In gesättigten Aufstiegsregionen
in der unteren und mittleren Troposphäre führt die Freisetzung von latenter Wärme
zur Bildung von positiven PV-Anomalien, d.h. positive PV-Anomalien werden in der
unteren und mittleren Troposphäre durch Kondensationsprozessen des Wasserdampfes
erzeugt. Die Bedeutung der diabatischen Prozesse werden in der Gleichung der materiellen
Ableitung der PV (P = −g −→ η · −→ ∇ p Θ) ersichtlich. In Druckkoordinaten gilt:
DP
Dt = −g−→ η · −→ ∇ p ˙Θ − g
−→
∇p Θ · ( −→ ∇ p × −→ F ) (2)
wobei −→ η = f −→ k + −→ ∇ p × −→ v die absolut Vorticity darstellt, ˙Θ die materielle Änderung
der potentiellen Temperatur bzw. die diabatische Heizrate (in Ks −1 ), −→ F die Summe der
nicht-konservative Kraft und f den Coriolis-Parameter darstellen. −→ v ist der horizontale
Windvektor und −→ k der vertikale Einheitsvektor (Wernli et al., 2002).
Dabei zeigt der vordere Term den Einfluss des diabatischen Heizens auf die potentielle
Vorticity. Bei diesem diabatischen Term dominiert die dritte Komponente des Skalarproduktes,
so gilt näherungsweise:
DP
Dt ≃ −g(f + ζ p) ∂ ˙Θ
∂p
Die Gleichung (3) besagt, dass (im normalerweise anzutreffenden Fall (f + ζ) > 0) in
einem Luftpaket unterhalb bzw. oberhalb eines Maximums der diabatischen Heizrate
PV produziert resp. vernichtet wird.
2.2.2. PV-Tower
Weist eine extratropische Zyklone zum Zeitpunkt ihrer maximalen Intensität eine vertikale
Säule mit anomal hohen PV Werten auf (≥1 PVU; 1 PVU = 10 −6 Kkg −1 m 2 s −1 ),
(3)
8

2.2 Potentielle Vorticity (PV) 2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN
wird von einem ’PV tower’ gesprochen (Rossa et al. 2000).
Dabei können drei verschiedene PV-Anomalien unterschieden werden (Rossa et al.
2000; Campa and Wernli 2012):
- Eine stratosphärische Intrusion mit grossen positiven PV-Werten,
- eine diabatisch produzierte PV-Anomalie in der unteren Troposphäre
- und eine warme, bodennahe Anomalie der potentiellen Temperatur θ, die einer
positiven PV-Anomalie entspricht.
Ein ’PV tower’ ist wichtig für das Verständnis der Intensität einer Zyklone. Zyklonen
entstehen über stark baroklinen Zonen und entwickeln während der Fortbewegung eine
nach Westen ausgerichtete Neigung, die sich von der Bodenanomalie bis zur stratosphärischen
Intrusion in der oberen Troposphäre zieht. Diese Neigung nimmt im Laufe der
Entwicklung ab, bis sie zum Zeitpunkt des Entwicklungshöhepunkts so klein ist, dass
die erwähnten Anomalien vertikal übereinander zu liegen kommen.
Zyklonen mit einer solchen Anordnung weisen meist sehr hohe Intensitäten auf; denn
liegen die PV-Anomalien vertikal perfekt übereinander, können sie eine kohärente zyklonale
Zirkulation vom Boden bis zur Tropopause ausbilden und sich so gegenseitig
noch verstärken (Campa and Wernli, 2012). So haben beispielsweise Lim und Simmonds
(2007) gezeigt, dass besonders bei explosiven Zyklonen die PV-Anomalien gut vertikal
übereinander organisiert sind.
Mithilfe der Wechselwirkung zwischen der PV-Anomalie in der oberen Troposphäre und
der Anomalie der potentiellen Temperatur am Boden lässt sich das barokline Wachstum
der Störung gut erklären (Hoskins et al., 1985). Die zwei Anomalien führen zu einem
positiven Feedbackmechanismus indem die positive PV-Anomalie in der oberen Troposphäre
mit ihrer Zirkulation eine positive Anomalie am Boden erzeugt, welche ihrerseits
eine eigene Zirkulation ausbildet und dabei die Zirkulation der oberen Anomalie weiter
verstärkt. Auch die diabatisch erzeugte PV-Anomalie in der unteren oder mittleren Troposphäre
kann eine solche tiefer liegende positive PV-Anomalie erzeugen. Somit kann
das gleichzeitige Dasein der unterschiedlichen Anomalien eine vertikale Säule mit hohen
PV-Werten in der Troposphäre ausbilden (Rossa et al., 2000).
Davis und Emanuel (1991) haben den Beitrag der einzelnen Anomalien bezüglich der
zyklonalen Zirkulation untersucht. Die diabatisch erzeugte PV-Anomalie trägt am meisten
zur Vorticity der unteren Troposphäre bei, gefolgt von der Anomalie der potentiellen
Temperatur am Boden. Die PV-Anomalie der oberen Troposphäre trägt nur einen kleinen
Teil zur Vorticity der unteren Troposphäre bei.
Dadurch, dass die diabatisch erzeugten PV-Anomalien stark zur Zirkulation der unteren
Troposphäre beitragen, wird ersichtlich wie wichtig diabatische Prozesse in einer
Zyklone sind. Diese Prozesse sind folglich unabdingbar für die Entstehung eines ’PV
towers’ und können unter anderem auch zu einer schnelleren Intensivierung einer Zyklone
führen (Rossa et al., 2000).
9

2.2 Potentielle Vorticity (PV) 2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN
10

3 DATEN UND METHODEN
3. Daten und Methoden
3.1. Daten
Die Daten dieser Arbeit entstammen dem ERA-Interim Datensatz des European Centre
for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF). Die ERA-Interim Daten decken die
Periode 1989 bis 2009 ab und setzen sich aus historischen Beobachtungsdaten und Daten
aus Wettervorhersagemodellen (NWP) zusammen. Die Beobachtungsdaten bestehen
aus Messungen von Landstationen, Radiosonden, Flugzeugen und Satelliten. Charakteristisch
für solche Messungen sind Messfehler, Messungenauigkeiten und die globale
inhomogene Abdeckung der beobachteten Daten.
Das ERA-Interim ersetzt das Produkt ERA-40, welches die Jahre 1957 bis 2002 abdeckt
und bringt einige Vorteile und Neuerungen. Es hat bspw. eine neue Feuchte-Analyse, ein
verbessertes physikalisches Modell, eine Kontrolle der Datenqualität und eine verbesserte
Auflösung (T255L60 versus T159L60) (Dee et al. 2011).
Für die Reanalyse-Daten wurde mit einem modernen Datenassimilationsverfahren und
mit archivierten Beobachtungsdaten 6-stündlich (00, 06, 12 und 18 UTC) eine globale
Analyse durchgeführt. Die ursprünglichen Felder wurden auf ein Gitter mit einer
Auflösung von 1°× 1° interpoliert und das PV-Feld wurde aus den Wind- und Temperaturfeldern
berechnet. Dieses PV-Feld wird anschliessend auf die einzelnen Druckebenen
interpoliert (alle 25 hPa zwischen 1000 und 150 hPa).
Die für diese Arbeit relevanten Parameter sind die PV-Werte, die Koordinaten des
Trackings und der Bodendruck im Zentrum der Zyklone.
3.2. Methoden
Tracking der Stürme
Die Zyklonen wurden mithilfe eines von Wernli und Schwierz (2006) eingeführten Tracking-
Algorithmus identifiziert und ihre Zugbahn ermittelt. Dabei wird die langrang’sche Perspektive
gebraucht und die Position des Zyklonenkerns am Boden 6-stündlich ermittelt.
Extratropische Zyklonen entstehen meist an der Ostküste Nordamerikas und bewegen
sich über den Nordatlantik in Richtung Nordeuropa. Der Tracking-Algorithmus sucht
für jeden neuen Zeitpunkt im Lebenszyklus der Zyklone nach dem Minimum des Bodendruckes.
Die Koordinaten dieses Minimums werden dabei als das Zentrum der Zyklone
definiert. Um die Zugbahnen der jeweiligen Zyklonen zu erhalten, werden diese Koordinatenpunkte
miteinander verbunden. Nebst den Koordinaten des Zyklonenzentrums am
Boden, enthält das Tracking Information über die Grösse der Zyklone, den Kerndruck
und den Druck der äussersten geschlossenen Kontur der Zyklone.
Berechnung der PV-Profile
Für die Berechnung der PV-Profile wird das horizontale Mittel über alle Gitterpunkte
auf allen Druckflächen (alle 25 hPa zwischen 1000 und 100 hPa) in einem Umkreis mit
einem Radius von 200 km um das Zentrums der Zyklone betrachtet. Dabei werden alle
11

3.3 IWAL 3 DATEN UND METHODEN
benötigten Variablen in diesem Umkreis gemittelt. Der Grund für diese Mittelung sind
starke Sprünge im vertikalen Profil eines einzelnen Koordinatenpunktes. Der Verlauf des
Profils wird dadurch weniger sprunghaft.
Analysierte Zeitperiode
Für die Analyse liegen drei bestimmte Zeitpunkte im Mittelpunkt: der Zeitpunkt der
maximalen Sturmintensität, und die Zeitpunkte 12 und 24 Stunden davor. Für einen
genaueren Vergleich wurden auch die Zeitpunkte 6 und 18 Stunden vor dem minimalen
Bodendruck betrachtet.
3.3. IWAL
Nach der Analyse der PV-Profile der einzelnen Stürme und deren Vergleich untereinander,
wurden die in Matlab erstellten Plots mit Abbildungen aus dem IWAL verglichen
9 . Das IWAL Projekt wurde von Michael Sprenger und Heini Wernli initiert und von
Sebastian Limbach und Michael Sprenger entwickelt. Mithilfe des IWALs lassen sich
verschiedene klimatologische Grössen, wie bspw. die Temperatur, Druck, Feuchte, potentielle
Vorticity und viele weitere, global anzeigen. In Abbildung 3.1 sind beispielsweise
für den 18. Januar 2007 die Temperatur auf 950 hPa und die SLP aufgezeigt.
(a)
(b)
Abbildung 3.1: Beispiel einer Abbildung aus dem IWAL. a) zeigt die horizontale PV Fläche
auf 250 hPa am 26. Dezember 06 UTC, in b) wurde ein vertikaler Querschnitt entlang 2.25°O
und von 44 bis 52°N ausgewählt.
Des Weiteren sind einige Fallstudien auf dem IWAL gespeichert, was die Betrachtung
der verschiedenen klimatologischen Grössen der Stürme stark vereinfacht, da dort nur
die relevanten Zeiten der jeweiligen Stürme gespeichert sind.
9 www.iwal.ethz.ch
12

4 RESULTATE UND DISKUSSION
4. Resultate und Diskussion
4.1. Druckentwicklung
Die Veränderung des Druckes mit der Zeit gibt Auskunft darüber, wie schnell eine Intensivierung
stattgefunden hat. In der Abbildung 4.2 sind die Druckentwicklungen der fünf
Stürme aufgezeigt. Für eine gute Vergleichsmöglichkeit wurden alle fünf Druckverläufe
im gleichen Zeitfenster (30 Stunden vor und 30 Stunden nach dem Zeitpunkt maximaler
Intensität) und derselben vertikalen Ausdehnung (949 bis 1000 hPa) gezeichnet. Da für
die Analyse der vertikalen PV-Profile die Zeitpunkte um die maximale Intensität von
grösster Bedeutung sind, wurde auch bei den hier gezeigten Abbildungen die Zeitperiode
24 Stunden vor dem minimalen Druck in den Fokus gerückt.
Der Sturm Daria wies von allen fünf untersuchten Zyklonen die stärkste Intensivierung
vor und der Druck im Zentrum der Zyklone fiel mit Abstand am tiefsten. Innerhalb von
24 Stunden nahm er annähernd 40 hPa ab und erreichte ein Druckminimum von 949.5
hPa. Eine solch starke und schnelle Druckabnahme wird oft als eine explosive Intensivierung
bezeichnet. Auch Kyrill wies eine starke Abnahme von 30 hPa in 24 Stunden
auf.
Wird Kyrills Druckentwicklung weiter verfolgt, fällt auf, dass zwischen 2 Druckminima
unterschieden werden kann. Einerseits zeigte sich am 19. Januar 06 UTC ein Minimum
von 962.13 hPa. Der eigentliche minimale Bodendruck direkt nach der Intensivierungsphase
taucht jedoch schon am 17. Januar 18 UTC auf (964.17 hPa). In der Abbildung 4.1
zeigen sich die zwei Druckminimas und die vollständige Druckentwicklung des Sturms
Kyrill.
Abbildung 4.1: Entwicklung des minimalen Bodendruckes der Zyklonen Kyrill I und Kyrill
II von 90°W bis 50°O bzw. 15. Januar 06 UTC bis 20. Januar 18 UTC. Die blaue Kurve zeigt
den Druckverlauf der Zyklone Kyrill I, die schwarze jene der Zyklone Kyrill II. Mit rot wurde
der Bereich der Intensivierung markiert. Entnommen aus "Diagnosing the influence of diabatic
processes on the explosive deepening of extratropical cyclones"von Fink et al. (2012).
Der Grund dafür liegt in der gesamten Entwicklung Kyrills. Die ermittelte Zugbahn
ist hier nicht nur einer, sondern zwei Zyklonen zuzuordnen. Der Sturm Kyrill lässt sich
einteilen in die Zyklonen Kyrill I und II. Nach der Intensivierung von Kyrill I variierte
der Druck der Zyklone Kyrill II nur noch leicht um 964 hPa. Weiteres dazu in Kapitel
13

4.1 Druckentwicklung 4 RESULTATE UND DISKUSSION
4.4.2 auf Seite 27.
(a) Daria
(b) Lothar
(c) Quimburga
(d) Kyrill
(e) Xynthia
Abbildung 4.2: Entwicklung des minimalen Bodendruckes (in hPa) der fünf untersuchten
Stürme. Die Zeitperiode ist jeweils 30 Stunden vor und 30 Stunden nach dem Zeitpunkt der
maximalen Intensität.
Die weiteren drei Stürme weisen ebenfalls rapide Intensivierungen auf. Xynthia und
Lothar zeichneten eine Druckabnahme von etwa 18-22 hPa in 24 Stunden auf, Quimburga
wies die schwächste Druckabnahme mit 13 hPa in 24 Stunden auf.
14

4.2 Analyse der vertikalen PV-Profile 4 RESULTATE UND DISKUSSION
4.2. Analyse der vertikalen PV-Profile
Im folgenden Abschnitt werden die vertikalen PV-Profile der einzelnen Stürme im Detail
betrachtet und untereinander verglichen. Des Weiteren werden vereinzelte, interessante
Profile mit Abbildungen aus dem Iwal verglichen. Im letzten Abschnitt werden die erhaltenen
Resultate zu den Stürmen Lothar und Kyrill mit früheren Studien von Wernli
et al. (2002) und Fink et al. (2009) verglichen, die sich auch mit den genannten Stürmen
befasst haben.
Die Kurven in den Abbildungen repräsentieren dabei folgende Zeitpunkte:
Farbe
Stunden vor dem Zeitpunkt der maximalen Intensität [h]
gelb 24
orange 18
rot 12
blau 06
schwarz 00
Tabelle 4.1: Zuordnung der Farbe der Profilkurven zu den jeweiligen Zeitschritten.
Daria
Für die Analyse der Zyklone Daria wurde das PV-Profil im Bereich des Zyklonenzentrums
am 25. Januar 18 UTC und 12 resp. 24 Stunden davor betrachtet.
Wie im Kapitel 4.1 erwähnt, durchlief Daria eine explosive Intensivierung von etwa 40
hPa in nur 24 Stunden. Abbildung 4.3 zeigt, dass bereits ein Tag vor dem Zeitpunkt der
maximalen Intensität das PV-Profil eine Anomalie mit einem Maximum von 1.1 PVU
auf 860 hPa aufwies und der PV-Wert bis 600 hPa nicht unter 1 PVU fiel.
Die ’traditionelle’ dynamische Tropopause die per Definition bei 2 PVU liegt (Wernli
und Bourqui, 2002) lag zu diesem Zeitpunkt auf 280 hPa.
Die in der unteren Troposphäre beobachtete Anomalie nahm im Laufe der Intensivierung
zu. 12 Stunden vor der maximalen Intensität befand sie sich auf 780 hPa mit einem
Maximum von etwa 1.5 PVU. Weitere 12 Stunden später und somit zum Zeitpunkt der
maximalen Intensität lag die Anomalie auf 810 hPa mit einem Maximum von 1.8 hPa.
Die PV-Werte nahmen im Laufe der Intensivierung zu, besonders im Bereich der ausgeprägten
Anomalie in der unteren Troposphäre. In den folgenden 12 Stunden fand eine
Senkung der Tropopause um 100 hPa statt.
Am 25. Januar 18 UTC, dem Zeitpunkt der maximalen Intensität, zeigt das PV-Profil
zwischen 500 und 350 hPa eine Region mit tief liegenden PV-Werten (< 0.5 PVU) und
die Tropopause befindet sich ähnlich wie 24 Stunden davor auf etwa 300 hPa.
Daraus lässt sich schliessen, dass sich keine stratosphärische Intrusion direkt über dem
15

4.2 Analyse der vertikalen PV-Profile 4 RESULTATE UND DISKUSSION
Sturmzentrum befand 10 .
In diesem Fall zeigt sich kein durch die ganze Troposphäre durchgehender ’PV tower’. Ein
solcher ist vorhanden, sobald der PV-Wert durchgehend durch die ganze Troposphäre
über 1 PVU liegt (Rossa et al., 2002).
Abbildung 4.3: PV-Profil der Zyklone Daria zwischen 950 und 200 hPa. Die schwarze Kurve
zeigt das Profil zum Zeitpunkt des minimalen Bodendrucks am 25. Januar 18 UTC, die rote
Kurve ist das Profil am 25. Januar 06 UTC und die gelbe Kurve am 24. Januar 18 UTC.
Lothar
Der Sturm Lothar hatte von allen fünf untersuchten Stürmen die kürzeste Entwicklungsbzw.
Lebensdauer. 24 Stunden vor dem minimalen Druck auf Meereshöhe fand eine starke
Intensivierung statt, die Druckabnahme betrug 22 hPa in 24 Stunden. Des Weiteren
fiel der Sturm Lothar auch durch eine schnelle Ostwärtsbewegung auf. Er bewegte sich
durchschnittlich mit etwa 10° in sechs Stunden über den Kontinent.
Für die Analyse wurde das PV-Profil im Bereich des Zyklonenzentrums am 26. Dezember
12 UTC und 12 resp. 24 Stunden davor betrachtet. Lothar erreichte am 26.
Dezember 12 UTC maximale Intensität mit einem minimalen Bodendruck von 976.15
hPa. Vor dem Zeitpunkt der maximalen Intensität nahm der Druck zwischen dem 26.
Dezember 00 UTC und 06 UTC um 10 hPa ab. In den folgenden sechs Stunden fiel der
Druck noch um 1 hPa.
In Abbildung 4.4 zeigt sich im Profil schon am 25. Dezember 12 UTC eine PV Anomalie
in der unteren Troposphäre mit einem Maximum von 1.2 PVU auf 820 hPa.
Diese Anomalie blieb bis zum Zeitpunkt maximaler Intensität auf annähernd der gleichen
Höhe erhalten. 12 Stunden später, am 26. Dezember 00 UTC, lag das Maximum
dieser Anomalie weiterhin bei 1.2 hPa. Zum Zeitpunkt maximaler Intensität nahm der
PV-Wert auf 1.8 PVU zu und lag auf einer Höhe von 800 hPa. Die dynamische Tropopause
befand sich ein Tag vor dem minimalen Bodendruck auf schätzungsweise 190
10 Die PV-Profile werden vertikal (in einem Umkreis mit einem Radius von 200 km) über dem Zyklonenzentrum
berechnet und dementsprechend kann eine stratosphärische Intrusion nur erfasst werden,
wenn sie näher als 200 km an das Zentrum heranreicht (Campa and Wernli 2012).
16

4.2 Analyse der vertikalen PV-Profile 4 RESULTATE UND DISKUSSION
(a)
(b)
Abbildung 4.4: PV-Profile der Zyklone Lothar mit dem minimalen Bodendruck von 976.15
hPa zwischen 950 und 200 hPa. Die Abbildung a) zeigt die Zeitpunkte der maximalen Intensität
und 12 bzw. 24 Stunden davor. Die schwarze Kurve zeigt das Profil zum Zeitpunkt des
minimalen Bodendrucks am 26. Dezember 12 UTC, die rote Kurve ist das Profil am 26. Dezember
00 UTC und die gelbe Kurve am 25. Dezember 12 UTC. Abbildung b) zeigt zusätzlich
die Zeitschritte 6 (blau) und 18 Stunden (orange) vor dem minimalen Bodendruck.
hPa und nahm kontinuierlich ab. Am 26. Dezember 00 UTC lag die Tropopause auf
250 hPa und erreichte zum Zeitpunkt der maximalen Intensität eine Höhe von ca. 380
hPa. Das Profil sechs Stunden vor dem minimalen Bodendruck weicht von der typischen
Entwicklung ab. Neben der PV Anomalie, die sich in den bisher beschriebenen Profile
gezeigt hat, erscheint zu diesem Zeitpunkt auch auf einer Höhe zwischen 600 und 700
hPa eine Anomalie mit einem Maximum von 1.8 PVU, wie auch auf 925 hPa Höhe mit
einem Maximum von 2 PVU. Sechs Stunden vor dem Zeitpunkt der maximalen Intensität
zeigt sich ein PV-Tower mit einem Sprung unter 1 PVU auf 900 hPa und mehr
PV Anomalien verteilt durch die Troposphäre. Die Tropopause nahm von diesem Zeitpunkt
bis zur Stunde des minimalen Bodendruckes nicht weiter ab. Das Profil zeigt am
26. Dezember 12 UTC ebenfalls einen PV-Tower mit PV-Werte unter 1 PVU zwischen
400 und 550 hPa. Die Profile des Sturms Lothar zeigen somit ebenfalls keinen absolut
durch die ganze Troposphäre durchgehenden ’PV tower’ . Man kann auch hier darauf
schliessen, dass die PV-Anomalien nicht perfekt übereinander liegen, so dass sich zum
Zeitpunkt des tiefsten SLPs im Zyklonenzentrum Werte unter 1 PVU finden.
Quimburga
Der Sturm Quimburga zeigt von allen fünf Zyklonen die schwächste Intensivierung auf.
Für die Analyse wurde der Zeitraum vom 20. November 00 UTC bis 21. November 00
UTC betrachtet.
Die Druckabnahme betrug hier 13 hPa in 24 Stunden. Am 21. November 00 UTC erreichte
der Sturm seinen minimalen Druck von 970.14 hPa. Das PV-Profil vom 20. November
00 UTC zeigt eine PV-Anomalie in der unteren Troposphäre mit einem Maximum von
17

4.2 Analyse der vertikalen PV-Profile 4 RESULTATE UND DISKUSSION
näherungsweise 1.3 PVU auf 860 hPa. Ab 700 hPa erreicht das Profil einen klimatologischen
Normalwert von 0.5 PVU und weist zwischen 650 und 300 hPa ein Gebiet mit
tiefen PVU Werten auf (< 0.5 PVU). Die dynamische Tropopause befand sich 24 Stunden
vor dem Zeitpunkt der maximalen Intensität auf ca. 290 hPa, sank innerhalb 12
Stunden weiter auf 350 hPa und erreichte am 21. November 00 UTC eine Höhe von 480
hPa. Im Vergleich zu den vorhergehenden zwei Zyklonen, zeigt sich im Profil des Sturms
Quimburga zum Zeitpunkt des minimalen SLPs ein ’PV tower’. Bereits 12 Stunden vor
dem Zeitpunkt maximaler Intensität war dieser ’tower’ beinahe durchgehend ausgebildet.
(a)
(b)
Abbildung 4.5: PV-Profile der Zyklone Quimburga mit dem minimalen Bodendruck von
970.14 hPa zwischen 950 und 200 hPa. Die Abbildung a) zeigt die Zeitpunkte der maximalen
Intensität und 12 bzw. 24 Stunden davor. Die schwarze Kurve zeigt das Profil zum Zeitpunkt
des minimalen Bodendrucks am 21. November 00 UTC, die rote Kurve ist das Profil am
20. November 12 UTC und die gelbe Kurve am 20. Dezember 00 UTC. Abbildung b) zeigt
zusätzlich die Zeitschritte 6 (blau) und 18 Stunden (orange) vor dem minimalen Bodendruck.
Auch bei der Zyklone Quimburga zeigt sich sechs Stunden vor der maximalen Intensität
ein interessantes PV-Profil. Zu diesem Zeitpunkt zeigte die PV-Anomalie in der
unteren Troposphäre einen Maximalwert von 2.2 PVU. Das Profil zeigt einen starken
Sprung (1.1 PVU) auf 925 hPa und in einer Höhe von 950 hPa liegt der PV-Wert auf
2.5 hPa. Ab 875 hPa nimmt der PV-Wert ab bis auf ca. 1 PVU auf 600 hPa.
Kyrill
Wie schon im Kapitel 4.1 erwähnt, zeigen sich in der Abbildung 4.1 zwei Druckminima
im Zentrum der Zyklone. Für die Analyse wurde das Druckminimum der Zyklone Kyrill
I gewählt, da sich in Kyrill I die eigentliche Intensivierungsphase abgespielt hat. Somit
werden im folgenden Abschnitt die PV-Profile vom 17. Januar 18 UTC, und die der
Zeitpunkte 12 und 24 Stunden davor betrachtet. Der minimale SLP ist in diesem Fall
964.17 hPa.
18

4.2 Analyse der vertikalen PV-Profile 4 RESULTATE UND DISKUSSION
Datum und Zeit geogr. Breite geogr. Länge
16.01.2007 18 UTC 54.75° W 46.5° N
17.01.2007 00 UTC 47.25° W 48° N
17.01.2007 06 UTC 40.5° W 50.25° N
17.01.2007 12 UTC 36° W 51.75° N
17.01.2007 18 UTC 32.25° W 53.25° N
Tabelle 4.2: Ausschnitt aus dem Tracking des Sturms Kyrill
Wird die Druckentwicklung zusammen mit den Koordinaten und Zeitschritten betrachtet
(siehe Tabelle C.1), fällt auf, wie schnell sich der Sturm Kyrill Richtung Kontinent
bewegt hat. In sechs Stunden bewegte er sich um ca. 6° nach Osten und sank am
16. Januar 18 UTC in nur 24 Stunden von 991.12 hPa auf 964.17 hPa.
Wie bereits Daria, Lothar und Quimburga, zeigen die Profile eine vertikal durchgehende
Zunahme der PV-Werte mit der Zeit und eine Absenkung der Tropopause bis
zum Zeitpunkt der maximalen Intensität. Ein Tag davor zeigt das Profil in der unteren
Troposphäre bereits PV-Werte im Bereich von 1 PVU, nimmt in einer Höhe von ca. 700
hPa einen Normalwert von ca. 0.5 PVU ein und weist auf 280 hPa Höhe die Tropopause
auf. 12 Stunden vor dem minimalen SLP beginnt das Profil bei ca. 0 PVU auf 950 hPa
und weist bereits auf 850 hPa eine positive PV-Anomalie auf. Bis auf 500 hPa Höhe liegt
der PV-Wert zwischen 1 und 1.3 PVU. Kyrill hat zum Zeitpunkt der maximalen Intensität
auf ca. 850 hPa eine diabatisch produzierte PV-Anomalie mit einem Maximum
von 1.1 PVU. Zu diesem Zeitpunkt liegt die dynamische Tropopause auf ca. 500 hPa.
Innerhalb der analysierten 24 Stunden hat die Tropopause stark an Höhe abgenommen,
in 12 Stunden von etwa 220 hPa auf 300 hPa und weitere 12 Stunden später bis auf 500
hPa. Das entspricht einer Höhenabnahme von fast 300 hPa in 24 Stunden.
Abbildung 4.6: PV-Profil der Zyklone Kyrill mit dem minimalen Druck von 964.17 hPa
zwischen 950 und 200 hPa. Die schwarze Kurve zeigt das Profil zum Zeitpunkt des minimalen
Bodendrucks am 17. Januar 18 UTC, die rote Kurve ist das Profil am 17. Januar 06 UTC und
dir rote Kurve am 16. Januar 18 UTC.
19

4.2 Analyse der vertikalen PV-Profile 4 RESULTATE UND DISKUSSION
Xynthia
Der Sturm Xynthia wurde im Zeitraum vom 27. Februar 00 UTC bis am 28. Februar 00
UTC betrachtet. Die Druckabnahme betrug ca. 18 hPa in 24 Stunden. Ein Tag vor dem
Zeitpunkt der maximalen Intensität betrug der zentrale SLP 986.21 hPa und es zeigte
sich bereits eine PV-Anomalie in der unteren Troposphäre mit einem Maximum von 1.3
PVU auf 820 hPa. In einer Höhe von 920 hPa erreicht das Profil einen Wert von 1 PVU.
Zwischen 650 und 300 hPa lag der PV-Wert zwischen 0.5 und 1 PVU. Die dynamische
Tropopause befand sich zu diesem Zeitpunkt auf einer Höhe von schätzungsweise 260 hPa
und sank im Laufe der Intensivierung nur noch ca. 70 hPa. Zwischen dem 27. Februar 12
UTC und 28. Februar 00 UTC blieb die Tropopause annähernd auf der gleichen Höhe.
Die PV-Werte der bereits am 27. Februar 00 UTC sichtbaren Anomalie in der unteren
Troposphäre nehmen im Laufe der Zeit zu. Betrug ihr Maximum 12 Stunden vor der
maximalen Intensität noch 1.4 PVU, sind es am 28. Februar 00 UTC 1.8 PVU. Zum
Zeitpunkt der maximalen Intensität lag der PV-Wert fast durchgehend über 1 PVU.
Auf einer Höhe von 500 bis 360 hPa befand sich der Wert jedoch zwischen 0.5 und
1 PVU. Somit zeigt sich auch bei der Zyklone Xynthia kein ausgeprägter PV-tower.
Wie schon bei den vorhergehenden Stürmen kann daraus geschlossen werden, dass die
stratosphärische Intrusion nicht perfekt über dem Zyklonenzentrum lag.
Abbildung 4.7: PV-Profil der Zyklone Xynthia mit dem minimalen Druck von 964.17 hPa
zwischen 950 und 200 hPa. Die schwarze Kurve zeigt das Profil zum Zeitpunkt des minimalen
Bodendrucks am 17. Januar 18 UTC, die rote Kurve ist das Profil am 17. Januar 06 UTC und
dir rote Kurve am 16. Januar 18 UTC.
Vergleicht man die Profile der einzelnen Stürme untereinander wird die charakteristische
Entwicklung der potentiellen Vorticity in der Troposphäre ersichtlich. Vier der
fünf analysierten Stürme wiesen im Laufe der Intensivierungsphase eine Zunahme der
PV-Werte 11 und eine Senkung der Tropopause auf. Einzig die Zyklone Daria zeigte eine
anomale Entwicklung; die PV-Werte in der oberen Troposphäre nahmen im Zeitpunkt
der maximalen Intensität ab und die Tropopause stieg im letzten Zeitschritt an.
11 durchgehend durch die ganze Troposphäre
20

4.2 Analyse der vertikalen PV-Profile 4 RESULTATE UND DISKUSSION
Die Zunahme der PV-Werte, wie auch die Höhenabnahme der Tropopause ist in jeden
Sturm ersichtlich; jedoch unterschiedlich ausgeprägt. Jeder der fünf analysierten Stürme
wies zum Zeitpunkt der maximalen Intensität einen annähernd oder ganz ausgeprägten
’PV tower’ auf. Lediglich die vertikale Anordnung der unterschiedlichen PV-Anomalien
ist in jedem Sturm anders. Dies lässt sich dadurch erklären, dass sich die stratosphärische
Intrusion oft nicht direkt über den PV-Anomalien in der unteren und mittleren
Troposphäre befindet.
Der Sturm Kyrill zeigt die typische Entwicklung eines PV-Profils am besten. Die Tropopause
nimmt in jedem Zeitschritt kontinuierlich an Höhe ab; von anfangs ca. 220 hPa
bis auf 500 hPa und in der unteren Troposphäre bildet sich diabatisch eine PV-Anomalie,
deren PV-Wert mit der Zeit zunimmt.
In den aus fünf Profilen bestehenden Abbildungen auf Seite 20 zeigt sich auch für die
Stürme Lothar und Quimburga dieser typische Verlauf mit kleinen Abweichungen. Nur
Daria weicht von der typischen Entwicklung ab. Das Profil des Sturmes Daria nahm
schon 24 Stunden vor der maximalen Intensität hohe Werte von 1 PVU ein und bildete
bereits 24 Stunden vor dem minimalen Druck annähernd ein PV-Tower. In den folgenden
zwei Zeitschritten entwickelte sich eine positive PV-Anomalie in der unteren Troposphäre,
welche mit der Zeit an Höhe abnahm und ein Maximum von 1.8 PVU erreichte. Die
Tropopause nahm anfangs noch an Höhe ab, lag jedoch zum Zeitpunkt der maximalen
Intensität beinahe auf gleicher Höhe wie ein Tag zuvor. Wie schon im Abschnitt zum
Sturm Daria erwähnt, zeigt sich diese anomale Entwicklung des PV-Profils aufgrund der
vertikalen Anordnung der PV-Anomalien.
Werden die Abbildungen mit den fünf Profilkurven auf Seite 22 betrachtet, wird ersichtlich,
dass jeder Sturm sehr individuelle Entwicklungen der PV-Profile aufzeigt. Wie
oben bereits erwähnt, zeigt der Sturm Kyrill in diesem Fall eine Entwicklung beinahe
wie aus dem Lehrbuch. Die PV-Werte der weiteren vier Stürme sind variabler.
21

4.2 Analyse der vertikalen PV-Profile 4 RESULTATE UND DISKUSSION
(a) Daria
(b) Lothar
(c) Quimburga
(d) Kyrill
(e) Xynthia
Abbildung 4.8: Vertikale PV-Profile der fünf ausgewählten Stürmen von 950 bis 200 hPa mit
fünf Zeitschritten für den Vergleich (Werte in PVU), für a) Daria, b) Lothar, c) Quimburga,
d) Kyrill und e) Xynthia. Die schwarze Kurve zeigt jeweils das Profil zum Zeitpunkt der
maximalen Intensität, die blaue Kurve 6 Stunden davor, die rote Kurve ist zum 12 Stunden
früheren Zeitpunkt, die orange Kurve 18 Stunden davor und die gelbe Kurve nochmals 12
Stunden früher.
22

4.3 Vergleich mit Grafiken aus dem IWAL 4 RESULTATE UND DISKUSSION
4.3. Vergleich mit Grafiken aus dem IWAL
Für dieses Kapitel wurden interessante PV-Profile mit Abbildungen aus dem IWAL
verglichen. Bei der Betrachtung der PV-Profile der einzelnen Stürme fielen einige aussergewöhnliche
Entwicklungen des PV-Wertes auf. Besonders das Profil sechs Stunden
vor und sechs Stunden nach der maximalen Intensität wich oft von der typischen PV-
Entwicklung einer Zyklone ab.
In diesem Abschnitt wird nun zu Beginn die schnelle Entwicklung und kurze Lebenszeit
der Sturms Lothar mithilfe von Abbildungen aus dem IWAL betrachtet und
anschliessend noch das interessante PV-Profil der Zyklone Xynthia sechs Stunden nach
der maximalen Intensität diskutiert und mit IWAL-Abbildungen verglichen.
(a) 25. Dez. 12 UTC
(b) 25. Dez. 18 UTC
(c) 26. Dez. 00 UTC
(d) 26. Dez. 06 UTC
(e) 26. Dez. 12 UTC
Abbildung 4.9: Süd/Nordschnitt aus dem IWAL des Sturms Lothar zwischen 1000 und 150
hPa vom 25. Dezember 12 UTC bis am 26. Dezember 12 UTC.
23

4.3 Vergleich mit Grafiken aus dem IWAL 4 RESULTATE UND DISKUSSION
Wie schon im PV-Profil des Sturms Lothar wird in den Abbildungen 4.9a)-e) ersichtlich,
wie die PV-Anomalie in der unteren Troposphäre in jedem Zeitschritt vertikal
wie auch horizontal zunimmt und sich erst sechs Stunden vor der maximalen Intensität
eine ausgeprägte stratosphärische Intrusion in der oberen Troposphäre ausbildet. Abbildung
4.9e) zeigt nun auch, dass die stratosphärische Intrusion am 26. Dezember 12
UTC südlich vom Zentrum und somit nicht direkt über der PV-Anomalie in der unteren
Troposphäre liegt. Die Abbildung 4.9 zeigt am 26. Dezember 06 UTC vertikal übereinanderliegende
PV-Anomalien mit PV-Werte über 1 PVU. Es zeigt sich somit schon sechs
Stunden vor der maximalen Intensität ein ’PV tower’. Weiteres dazu im Abschnitt 4.4.1.
(a)
(b)
Abbildung 4.10: a) PV-Profil der Zyklone Xynthia zwischen 950 und 200 hPa. Die schwarze
Kurve zeigt das Profil zum Zeitpunkt des minimalen Bodendrucks am 28. Februar 00 UTC,
die rote Kurve ist das Profil am 27. Februar 12 UTC, die gelbe Kurve am 27. Februar 00 UTC
und die grüne Kurve am 28. Februar 06 UTC. b) zeigt für die gleichen Zeitpunkte wie a) die
Werte der relativen Feuchte.
Der Sturm Xynthia zeigte sechs Stunden nach der maximalen Intensität ein interessantes
PV-Profil mit vielen Sprüngen auf. Abbildung 4.10a) zeigt die drei bereits besprochenen
Profile und zusätzlich noch das Profil sechs Stunden nach dem Zeitpunkt
der maximalen Intensität. Dieses Profil zeigt sehr viele Sprünge auf, mit einem PV-
Minimum von 0.2 PVU auf 850 hPa und Maxima von 2.8 PVU auf 700 hPa und 1.9
PVU auf 900 hPa. Diese PV-Anomalien sind auch in der IWAL-Abbildung 4.11a) gut
sichtbar. Abbildungen 4.10b) und 4.11b) zeigen für die gleiche Zeit und den gleichen
vertikalen Querschnitt die Werte der relativen Luftfeuchtigkeit.
Das Profil der relativen Feuchte zeigt in einer Höhe von ca. 820 bis 720 hPa einen Wert
von etwa 95 %. Im vertikalen Querschnitt aus dem IWAL ist jedoch ersichtlich, dass
die starke Anomalie auf 700 hPa keine diabatisch erzeugte positive PV-Anomalie ist, da
die Luft dort nur eine relative Feuchte von ca. 30% erreicht. Die Abbildung 4.11 zeigt
trockene Luft bis tief hinab in die mittlere Troposphäre. Somit ist die stark positive
PV-Anomalie auf 700 hPa Höhe Teil der stratosphärischen Intrusion. Die weitere positive
PV-Anomalie auf 900 hPa zeigt sich in der gleichen Abbildung auch als trockenes
24

4.3 Vergleich mit Grafiken aus dem IWAL 4 RESULTATE UND DISKUSSION
Luftpaket, welches sich möglicherweise von der starken stratosphärischen Intrusion abgetrennt
hat.
(a)
(b)
Abbildung 4.11: Potentielle Vorticity (a) und relative Feuchte (b) in einem vertikalen Querschnitt
entlang 0° W von 45° N bis 55° N am 28. Februar, 06 UTC.
Nördlich von der stratosphärischen Intrusion zeigt sich in Abbildung 4.11 eine Aufstiegsregion
mit einer hohen relativen Feuchte, die mit diabatischen Prozessen PV-Werte
zwischen 0.5 und 2 PVU erzeugt hat.
25

4.4 Vergleich mit früheren Studien 4 RESULTATE UND DISKUSSION
4.4. Vergleich mit früheren Studien
4.4.1. Lothar
In diesem Abschnitt werden die erhaltenen Resultate aus den PV-Profilen und den
IWAL-Bildern zum Sturm Lothar mit dem Paper "Dynamical aspects of the life cycle
of the winter storm ’Lothar’ (24. - 26. December 1999)"von Wernli et al. (2002)
verglichen.
Im Abschnitt 4.2 wurde das PV-Profil des Sturms Lothar analysiert. Dabei zeigte
das Profil eine typische Entwicklung in der oberen Troposphäre mit einer Absenkung
der Tropopause und eine Zunahme der PV-Anomalie in der unteren Troposphäre und
eine allgemeine Zunahme des PV-Wertes mit der Zeit. Die PV-Anomalie in der unteren
Troposphäre nahm zum Zeitpunkt der maximalen Intensität ein Maximum von ca. 1.8
PVU ein. Sechs Stunden vor dem minimalen Bodendruck (Abb. 4.4)b) zeigten sich im
Profil einige Abweichungen von der typischen Entwicklung. In einer Höhe von 925 hPa
zeigte sich beispielsweise ein Maximum von 2 PVU, welches zum Zeitpunkt der maximalen
Intensität wieder abnahm. Mit Hilfe der IWAL Abbildung wurde ersichtlich, dass
zu diesem Zeitpunkt, am 26. Dezember 06 UTC, der ’PV tower’ ausgeprägter war als
zum hier ermittelten Zeitpunkt der maximalen Intensität.
Abbildung 4.12: Entwicklung des minimalen Druckes im Zentrum der Zyklone Lothar aus
Beobachtungen (DWD), Analysen des ECMWF’s und HRM Simulationen. Entnommen aus
’Dynamical aspects of the life cycle of the winter storm ’Lothar’ (24.-26. December 1999) aus
Wernli et al. (2002).
Der Grund dafür findet sich in der Abbildung 4.12. Im Vergleich zu den in dieser Arbeit
gebrauchten Daten, zeigt sich dort das Minimum des Bodendruckes am 26. Dezember
06 UTC. Aus den verschiedenen Resultaten und Abbildungen lässt sich schliessen, dass
der ’PV-tower’ der Zyklone Lothar am 26. Dezember 06 UTC am stärksten ausgeprägt
26

4.4 Vergleich mit früheren Studien 4 RESULTATE UND DISKUSSION
war; es zeigten sich jedoch Minima im PV-Wert in der oberen Tropopause im PV-Profil.
In der IWAL Abbildung 4.9 wird ersichtlich, dass die stratosphärische Intrusion südlich
vom Zyklonenzentrum liegt und sich darum nicht im Profil zeigt.
In der Studie von Wernli et al. (2002) wird die in den IWAL Abbildungen auf Seite 23
gezeigte Entwicklung der PV-Anomalien genauer besprochen: Der Sturm Lothar zeigt
eine extrem schnelle ’bottom-up’ Intensivierung, bei welcher durch diabatisches Heizen
eine positive PV-Anomalie in der unteren Troposphäre gebildet wird, die wiederum die
Bildung einer stratosphärischen Intrusion anregt.
Über den Einfluss diabatischer Prozesse auf die Entwicklung und Intensivierung von
Zyklonen ist man sich oft nicht einig. Für den Sturm Lothar waren die diabatischen
Prozesse jedoch von grosser Wichtigkeit. Sie haben den Sturm verstärkt und die ganze
Intensivierung bestimmt. Lothar zeigte einen diabatischen Rossby-Wellen-Charakter
(Wernli et al. 2002). Bei einer solchen Rossby-Welle beginnt die Entwicklung mit einer
positiven PV-Anomalie in der unteren Troposphäre, die sich in einer stark baroklinen
Zone befindet. Dies bedeutet, dass sich ein starker Temperaturgradient von Nord nach
Süd in den mittleren Breiten befindet. Positive thermische Advektion östlich der positiven
PV-Anomalie führt zu einer Hebung der warmen und feuchten Luft von Süden.
Beim Aufstieg kühlt sich die feuchte Luft ab und es kommt zur Kondensation des Wasserdampfes.
Dadurch wird stetig mehr positive PV erzeugt und der ganze Mechanismus
führt dazu, dass kontinuierlich östlich der PV-Anomalie neue PV generiert wird und die
PV-Anomalie ostwärts propagiert, in Richtung des thermischen Windes (Wernli et al.,
2002).
4.4.2. Kyrill
Wie im vorhergehenden Abschnitt werden auch hier die Resultate zum Sturm Kyrill mit
einer früheren Studie verglichen. Es handelt sich dabei um das Paper: "The European
storm Kyrill in January 2007: synoptic evolution, meteorological impact and some considerations
with respect to climate change"von Fink et al. (2009).
Im Kapitel 4.2 zeigte das Profil der Zyklone Kyrill eine Zunahme des PV-Wertes in
der unteren Troposphäre und eine starke Senkung der dynamischen Tropopause. Im Vergleich
zu den anderen vier analysierte Stürme zeigt Kyrill die schwächste PV-Anomalie
in der unteren Troposphäre, ausserdem nimmt der PV-Wert der Anomalie im letzten
Zeitschritt zwischen dem 17. Januar 12 UTC und dem 17. Januar 18 UTC ab. Die dynamische
Tropopause hingegen nimmt im Vergleich zu den weiteren vier Stürme am
stärksten an Höhe ab. Abbildung 4.8 d) auf Seite 22 zeigt die Entwicklung vom 16.
Januar 18 UTC bis am 17. Januar 18 UTC.
Fink et al. (2009) beschrieben die synoptische Entwicklung und die meteorologischen
Auswirkungen der Zyklone Kyrill:
Die explosive Intensivierung, die Kyrill über dem Nordatlantiks aufzeigte, resultierte aus
der Überquerung eines starken polaren Jetstreams. Verschiedene vorteilhafte meteorologische
Bedingungen westlich der britischen Inseln führten zu einer weiteren Vertiefung
des Druckes im Sturmkern kurz vor dem Erreichen Westeuropas. Der minimale Boden-
27

4.4 Vergleich mit früheren Studien 4 RESULTATE UND DISKUSSION
druck im Kern des Sturmes blieb über eine lange Zeit zwischen 962 und 968 hPa (siehe
Trackingtabelle im Anhang). Fink et al. wiesen diese Konstanz im Druck der vorteilhaften
Ausrichtung drei verschiedener Jetstreaks und einer stratosphärischen Intrusion aus
trockener Luft zu.
Die Zeit um den Dezember 2006 und Januar 2007 war geprägt durch viele aufeinanderfolgende
intensive Stürme über dem Nordatlantik und Europa. Diese Stürme wurden
durch einen starken, zonal ausgerichteten Temperaturgradienten begünstigt. Wie bereits
im Voraus schon erwähnt, setzte sich der Sturm Kyrill aus den beiden Zyklonen Kyrill
I und Kyrill II zusammen 12 . Die starke Höhenabnahme der Tropopause in der Intesivierungsphase
von Kyrill I war ein Grund für die langsame Abschwächung Kyrills. Das
Vorhandensein dieser trockenen Intrusion verzögerte die Abschwächung des Sturms. Die
im PV-Profil sichtbare tiefe dynamische Tropopause (stratosphärische Intrusion) am 17.
Januar 18 UTC lag sechs Stunden später am 18. Januar 00 UTC über dem Zentrum
der Zyklone Kyrill II. Diese Intrusion trockener Luft in der oberen Troposphäre bewegte
sich in der folgenden Zeit in Richtung der Kaltfront der Zyklone Kyrill II und verstärkte
dabei die konvektive Instabilität (Fink et al. 2009).
12 In den IWAL-Abbildungen (siehe Abb. B.1 im Anhang) vom 17. Januar 06 UTC bis am 18. Januar
06 UTC ist die Trennung von der Zyklone Kyrill II von der Zyklone Kyrill I ersichtlich.
28

4.5 Diskussion 4 RESULTATE UND DISKUSSION
4.5. Diskussion
Um ein besseres Verständnis für die vertikale Struktur extratropischer Zyklonen zu erhalten,
wurde in dieser Arbeit die Entwicklung des PV-Profils von fünf unterschiedlichen
Stürmen analysiert. Bislang wurde die vertikale PV-Struktur eines Sturmes wenig untersucht;
Campa and Wernli (2012) haben z. B. mithilfe der PV-Profile analysiert, ob es
Unterschiede in der vertikalen Struktur zwischen schwachen und starken extratropischen
Zyklonen bzw. zwischen Zyklonen in verschiedenen Regionen gibt und wie sich das PV-
Profil während der Intensivierungsphase entwickelt. Diese Bachelorarbeit hat letztere
Fragestellung aufgegriffen und nebst der typischen Entwicklung des PV-Profils, die Profile
unterschiedlicher Zyklonen miteinander verglichen. Auf die Fragen in der Einleitung
zurückgreifend, lässt sich folgendes sagen:
i) Alle fünf untersuchten Stürme wiesen eine vergleichbare Entwicklung der PV-
Profile auf, wobei grössere Abweichungen wie beispielsweise bei der Zyklone Daria
auf Verschiebungen in der Vertikalen der unterschiedlichen PV-Anomalien zu schliessen
sind. Die positive PV-Anomalie in der unteren Troposphäre, die in stärkeren
Stürmen höhere PV-Werte erreicht (Campa and Wernli 2012), lag bei allen Stürmen
auf ca. 800 hPa mit einem Maximum von etwa 1.8 PVU. Nur bei der Zyklone
Kyrill zeigt sich eine schwächere diabatisch gebildete PV-Anomalie mit einem maximalen
Wert von ca. 1 PVU.
Es lässt sich somit sagen, dass es innerhalb der typischen Struktur der PV-Profile
keine grossen Unterschiede gibt. Kleine Unterschiede liegen in der Genauigkeit der
vertikalen Anordnung der PV-Anomalien und besonders in der Entwicklung der
stratosphärischen Intrusion. Die Senkung der Tropopause zeigt sich in jedem Sturm
etwas anders; dies kann unter anderem an der Anordnung der PV-Anomalien über
dem Sturmzentrum liegen. Die dynamische Tropopause der Zyklone Kyrill sank
beispielsweise annähernd 300 hPa in 24 Stunden, während die Tropopause der
Zyklone Xynthia nur 70 hPa sank.
ii) Bezüglich des ’PV towers’ zeigte sich in den Profilen der Zeitpunkte maximaler Intensität
für Kyrill, Lothar 13 und Quimburga durchgehend durch die Troposphäre
ein Wert über 1 PVU. Die Stürme Daria und Xynthia wiesen in der oberen Troposphäre
Werte unter 1 PVU auf, dies verweist auf eine fehlende stratosphärische
Intrusion direkt über dem Sturmzentrum.
iii Dadurch dass alle fünf gewählten Stürme zur Kategorie der intensiven Stürmen
gehören, wurde ersichtlich wie wichtig die diabatischen Prozesse für eine rapide
Entwicklung einer Zyklone sind. Es zeigte sich in allen Entwicklungen der PV-
Profile eine starke Zunahme des PV-Wertes in der unteren Troposphäre; der Wert
stieg jeweils bis annähernd 2 PVU. Dies weist auf ausgeprägte Kondensationsprozesse
hin.
iv) Da alle fünf Stürme eine ähnlich starke Intensivierung durchliefen und sich ihr minimaler
Bodendruck im Sturmkern zwischen 950 und 980 hPa befand zeigten die
13 am 26. Dezember 06 UTC
29

4.5 Diskussion 4 RESULTATE UND DISKUSSION
hier analysierten Stürme ähnliche Strukturen in der Entwicklung der PV-Struktur
und in etwa die gleichen maximalen PV-Werte in den diabatisch gebildeten PV-
Anomalien in der unteren Troposphäre. Dieses Resultat deckt sich mit den Resultaten
aus Campa and Wernli (2012). Sie zeigten in ihrer Studie über die vertikale
Struktur extratropischer Zyklonen in der Nordhemisphäre, dass Stürme mit einem
minimalen Bodendruck zwischen 930 und 970 hPa im Zentrum der Zyklone
ausgeprägtere PV-Anomalien aufweist, als jene Zyklonen mit einem minimalen Bodendruck
zwischen 990 und 1010 hPa. Abbildung 4.13 zeigt den Unterschied der
PV-Profile zwischen starken und schwachen Stürmen.
Es zeigt sich, dass Stürme mit tieferen minimalen Bodendrücken bzw. einer stärkeren
Intensivierung viel ausgeprägtere Anomalien aufweisen. Dies wurde auch in
den PV-Profilen der in dieser Arbeit analysierten Stürme beobachtet.
Abbildung 4.13: △PV-Profil mehrerer extratropische Zyklonen in den Wintermonaten (DJF)
mit den minimalen SLP im Bereich von a) 930 bis 970 hPa und b) 990 bis 1010 hPa. Die
schwarze Linie verbindet alle 25 hPa den gemittelten △PV-Wert der Stürme; die graue Fläche
zeigt den Bereich zwischen dem 10. und 90. Perzentil. Entnommen aus Campa and Wernli
(2012).
Die Analyse der PV-Struktur der fünf verschiedenen Stürme zeigte, wie wichtig die
unterschiedlichen PV-Anomalien und deren Zusammenwirken für die Entwicklung intensiver
Stürme sind. Besonders die diabatisch erzeugte PV-Anomalie in der unteren und
mittleren Troposphäre war in allen fünf gewählten Stürmen stark ausgeprägt.
Durch den Vergleich der PV-Profile mit den IWAL-Abbildungen und den früheren
Studien zeigte sich die Schwierigkeit einer Analyse mit einem einzelnen Parameter. Für
aussagekräftige Resultate müssen mehrere Parameter analysiert werden und zusammen
mit synoptischen und meteorologischen Informationen betrachtet werden.
Wie sich in dieser Arbeit für den Sturm Lothar gezeigt hat, können auch unterschiedliche
Daten zu unterschiedlichen Resultaten führen.
30

Dank
Ich bedanke mich ganz herzlich bei Heini Wernli, der diese Arbeit im Zusammenhang
mit dem CCES Projekt ’Klimawandel - Fokus Wasser’ in die Wege geleitet hat und mir
die Möglichkeit gab meine Bachelorarbeit über ein interessantes Thema zu schreiben.
Ich bedanke mich bei Heini auch für die grossartige Betreuung. Mein weiterer Dank geht
an Michael Sprenger, der mir bei meinen Fragen und Problemen mit Matlab geholfen
hat.
31

Anhang
A. PV-Profile mit 3 Zeitschritten für den Vergleich
(a) Daria
(b) Lothar
(c) Quimburga
(d) Kyrill
(e) Xynthia
Abbildung A.1: Vertikale PV-Profile der fünf ausgewählten Stürmen von 950 bis 200 hPa
(Werte in PVU), für a) Daria, b) Lothar, c) Quimburga, d) Kyrill und e) Xynthia. Die schwarze
Kurve zeigt jeweils das Profil zum Zeitpunkt der maximalen Intensität, die rote Kurve ist zum
12 Stunden früheren Zeitpunkt und die gelbe Kurve nochmals 12 Stunden früher.
33

B. Kyrill I und II in den IWAL Grafiken
(a) 17. Jan. 06 UTC
(b) 17. Jan. 12 UTC
(c) 17. Jan. 18 UTC
(d) 18. Jan. 00 UTC
(e) 18. Jan. 06 UTC
Abbildung B.1: Entwicklung der Zyklonen Kyrill I und Kyrill II vom 17. Januar 06 UTC
bis 18. Januar 06 UTC mit den Isobaren des Bodendruckes und farblich die PV-Werte auf 300
hPa.
34

C. Tracking des Sturms Kyrill
Datum Uhrzeit (UTC) geogr. Länge (°) geogr. Breite (°) Kerndruck der
Zyklone (hPa)
16.01.2007 00 292.5 43.5 1007.09
16.01.2007 06 293.25 44.25 1003.3
16.01.2007 12 300.75 45 999.52
16.01.2007 18 305.25 46.5 991.12
17.01.2007 00 312.75 48 984.7
17.01.2007 06 319.5 50.25 975.37
17.01.2007 12 324 51.75 969.43
17.01.2007 18 327.75 53.25 964.17
18.01.2007 00 334.5 54.75 968.49
18.01.2007 06 350.25 55.5 965.88
18.01.2007 12 2.25 55.5 968.29
18.01.2007 18 11.25 55.5 963.77
19.01.2007 00 23.25 55.5 963.37
19.01.2007 06 29.25 56.25 962.13
19.01.2007 12 33 57 963.08
19.01.2007 18 36 57.75 964.16
20.01.2007 00 37.5 58.5 965.41
20.01.2007 06 39.75 58.5 970.21
20.01.2007 12 41.25 59.25 976.25
20.01.2007 18 46.5 61.5 980.42
21.01.2007 00 50.25 63 981.68
21.01.2007 06 57.75 66 981.21
21.01.2007 12 61.5 68.25 981.31
21.01.2007 18 63 69 980.91
22.01.2007 00 66 69.75 979.56
22.01.2007 06 68.25 71.25 979.04
22.01.2007 12 69.75 72 980.45
22.01.2007 18 68.25 72 981.31
Tabelle C.1: Tracking des Sturms Kyrill
35

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