Hagelrisiko in Deutschland: Was wir wissen und was wir...
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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
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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 [email protected] 12. April 2017
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Hagelstürme 2013 Deutschland
2-4 cm 6-7 cm > 8 cm
27 Juli 28 Juli
Data:
6 August
Hannover Wolfsburg
Stuttgart
Hagelrisiko in Deutschland [email protected] 12. April 2017
© Marco Kaschuba
14 cm
Gesamtschaden 4.2 Mrd. € Versicherter Schaden nur 27.+28.07.: 2.8 Mrd. €
(Swiss Re, 2014)
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Schwergewitter: Schäden
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Deutschland
Wohngebäudeversicherung: Schadenaufwand nach Gefahren 2002 - 2015
Sturm + Hagel Elementarschäden
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Schwergewitter: Schäden
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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
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Herausforderungen und Fragestellungen
Hagelrisiko in Deutschland [email protected] 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?
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Hagelbildung
Kleinräumig: Wolkenmikrophysik 10-5 – 100 m
Großräumig: Dynamik ~1-1000 km
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Hagelbildung
Kleinräumig: Wolkenmikrophysik 10-5 – 100 m
Großräumig: Dynamik ~1-1000 km
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Heterogenes Gefrieren: IN
Geopotential 500 hPa
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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)
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Kondensation
Kollission- Koaleszenz Wolken/Regentropfen
Nukleation/ Gefrieren
Akkreszenz
schnelle Akkreszenz
Aufwind
-38°C
0°C
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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 [email protected] 12. April 2017
-38°C
0°C
Kondensation
Eisbildung, Hagelembryos
Hagel- wachstum
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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
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Häufigkeit OT Ereignisse Häufigkeit OT Ereignisse; MSG SEVIRI 2004 – 2014, April-Sept.
(Punge et al., 2017; submitted to ARe)
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Anzahl OT Ereignisse pro Jahr und 1000 km²
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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)
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Anzahl gefilterte Ereignisse pro Jahr und 1000 km²
Über/Unterschreitung Schwellwerte CAPE Cross-Totals CT Bulk wind shear Schmelzschichthöhe
CAPE
0°C Höhe
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Satelliten-basierte Hagelklimatologie
Hagelrisiko in Deutschland [email protected] 12. April 2017
Kombination Satellitendaten (MSG SEVIRI) und Reanalysen (ERA-Interim)
(Punge 2015)
2004 – 2014
Anzahl Ereignisse pro Jahr und 100 km²
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Hagelrisiko in Deutschland [email protected] 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
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Radar-basierte Hagelklimatologie
Anzahl Tage mit Hagelsignal (2D/3D Radar Reflektivität) (Fluck, 2017; Schmidberger, 2017)
Hagelrisiko in Deutschland [email protected] 12. April 2017
Deutschland 2005-2015
Frankreich 2005-2014
Ursachen der räumlichen Variabilität?
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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 [email protected] 12. April 2017
Histogramm Fr an Hageltagen SW
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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 [email protected]
(Köbele, 2014)
DIV
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Umgebungsbedingungen Zusammenhang Hagelzüge und Hagelkorndurchmesser?
12. April 2017 Hagelrisiko in Deutschland [email protected]
(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 °
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Hagelrisiko in Deutschland [email protected] 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
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Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Hagelrisiko in Deutschland [email protected] 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
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Umgebungsbedingungen Zusammenhang Hagelzüge und Kaltfronten?
12. April 2017 Hagelrisiko in Deutschland [email protected]
(Baumstark, 2017)
Kaltfronten 2005-2014 ERA-Interim-Reanalysen (Schemm et al., 2015)
Thermodyn. Frontenparameter
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Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Umgebungsbedingungen Zusammenhang Hagelzüge und Kaltfronten?
12. April 2017 Hagelrisiko in Deutschland [email protected]
Anteil frontaler Hagelzüge pro 0.5° x 0.5° ERA-Interim-Reanalysen / Radarzugbahnen
(Baumstark, 2017)
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Hagel in Europa - ein unterschätztes Risiko [email protected] 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)?
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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 [email protected]
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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 [email protected] 12. April 2017
Perzentile aus Gamma- / Weibull-Verteilung Eliminierung Autokorrelation: trend-free pre-whitening
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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 [email protected]
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Institut für Meteorologie und Klimaforschung Department Troposphärenforschung (IMK-TRO)
Hagelrisiko in Deutschland [email protected] 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
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Hagelrisiko in Deutschland [email protected] 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
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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 [email protected] 12. April 2017
(Mohr, Kunz, und Keuler, JGR, 2015)
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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 [email protected] 12. April 2017