Variabilität, Trends und serielles Clustering schwerer Gewitterereignisse im Bezug zu großräumigen atmosphärischen Bedingungen

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit dem Zusammenhang zwischen der Variabilität der Gewitteraktivität und großräumigen atmosphärischen Bedingungen. Das Ziel ist es, den Zusammenhang zwischen (schweren) Gewitterereignissen und großräumigen atmosphärischen Bedingungen in Europa zu untersuchen und den Einfluss auf die Variabilität zu quantifizieren.

Dazu werden auf Basis von Blitzdaten (Wolke-Boden, 2001 – 2021) zwei verschiedene Ereignisdatensätze erstellt: (i) Gitterpunkt-basierte Gewittertage und (ii) Blitzcluster, welche anhand der raum-zeitlichen Dichte identifiziert werden. ... mehrAuf Basis der Blitzcluster wird zusätzlich auch die Identifikation von seriellen Clusterereignissen (zeitlich gehäuftes Auftreten von Gewitteraktivität auf Skalen von mehreren Tagen bis Wochen) vorgenommen.

Trendanalysen für beide Datensätze zeigen, dass die Gewitteraktivität in weiten Teilen des Untersuchungsgebiets, vor allem aber in großen Teilen Nordfrankreichs, abgenommen hat. Für diese Beobachtungen der Veränderung der raum-zeitlichen Ausdehnung der Blitzcluster konnte ein statistischer Zusammenhang mit negativen Phasen der Nordatlantischen Oszillation (NAO) hergestellt werden. Vor allem im westlichen Teil Europas sind bei negativen Werten des NAO-Index die Gewittercluster räumlich weniger ausgedehnt und von kürzerer Dauer im Vergleich zu den übrigen Jahren. Eine außergewöhnliche Häufung negativer jährlicher Werte des NAO-Index vor allem in der Dekade von 2011 bis 2020 kann damit plausibel die Abnahme der Gewitteraktivität im westlichen Teil des Untersuchungsgebiets erklären.

Für verschiedene Wetterregime, anhand derer sich die Strömungskonfigurationen in der mittleren Atmosphäre klassifizieren lassen können, ergeben sich regional verschiedene Änderungen bei der Auftrittshäufigkeit großräumiger Gewittercluster. Besonders das mit einem Höhenhoch über Skandinavien einhergehende Blocking-Regime steht im Zusammenhang mit einer Zunahme der Gewitteraktivität; und insbesondere auch mit einer Zunahme der seriellen Clusterereignisse im gesamten Untersuchungsgebiet. Weiterhin ergibt sich, dass positive Oberflächentemperaturanomalien des Mittelmeers insbesondere bei Blocking-Regimen ein die Gewitterwahrscheinlichkeit verstärkender Faktor ist. Ebenfalls tritt serielles Clustering sehr viel häufiger bei Blocking-Regimen auf, was sich durch die damit verbundene Stationarität der synoptisch-skaligen Wettersysteme erklären lässt.

Klimaprojektionen für das Ende des 21. Jahrhunderts ergeben eine geringfügige Zunahme der Blocking-Regime. Insbesondere in Kombination mit steigenden Meeresoberflächentemperaturen könnte aufgrund
der gefundenen Zusammenhänge eine leichte Zunahme der Gewitteraktivtät im südlichen Teil Europas
stattfinden, allerdings sind dafür auch weitere (lokale) Einflussfaktoren zu beachten.

The aim of this thesis is to investigate the relationship between (severe) convective storms and large-scale atmospheric conditions in Europe and to quantify their influence on variability. For this purpose, two different event datasets are created based on lightning data (cloud-to-ground, 2001 - 2021): (i) grid point based thunderstorm days and (ii) lightning clusters identified by spatio-temporal density. Based on the lightning clusters, the identification of serial cluster events (temporally of thunderstorm activity on scales of several days to weeks) was carried out.
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Trend analyses for both data sets show, that thunderstorm activity has decreased over large parts of the study area, especially over northern France. For these observations of changes in the spatio-temporal extent of the lightning clusters, a statistical correlation could be established with negative phases of the North Atlantic Oscillation (NAO). In particular, in the western part of Europe, the thunderstorm clusters tend to be spatially less extensive and of shorter duration than in other years when the NAO index is negative. An unusual accumulation of negative annual values of the NAO index, especially in the decade from 2011 to 2020, can thus plausibly explain the decrease in thunderstorm activity in the western part of the study area.

For different weather regimes, which can be used to classify the flow configurations in the middle atmosphere, there are different regional changes in the frequency of the occurrence of large-scale thunderstorm clusters. In particular, a blocking regime associated with a ridge over Scandinavia is linked to an increase in thunderstorm activity; and in particular with an increase in the number of serial cluster events throughout the study area. Furthermore, positive surface temperature anomalies of the Mediterranean, especially in the case of blocking regimes, are additional enhancing factor increasing the probability of thunderstorms. Serial clustering also occurs much more frequently in blocking regimes, which can be explained by the associated stationarity of the synoptic-scale weather systems.

Climate projections for the end of the 21st century show a slight increase in blocking regimes. In particular in combination with rising sea surface temperatures, a slight increase in thunderstorm activity in the southern part of Europe could occur due to the correlations found. However, other (local) forcing factors must also be taken into account.