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Christopher Purr

• Extreme convective precipitation events are among the most severe hazards in central Europe and are expected to intensify under global warming. However, the degree of intensification and the underlying processes are still uncertain. In this thesis, recent advances in continuous, radar-based precipitation monitoring and convection-permitting climate modeling are used to investigate Lagrangian properties of convective rain cells such as precipitation intensity, cell area, and precipitation sum and their relationship to large-scale, environmental conditions. Firstly, convective precipitation objects are tracked in a gauge-adjusted radar-data set and the properties of these cells are related to large-scale environmental variables to investigate the observed super-Clausius-Clapeyron (CC) scaling of convective extreme precipitation. The Lagrangian precipitation sum of convective cells increases with dew point temperature at rates well above the CC-rate with increasing rates for higher dew point temperatures. These varying, high rates are caused by a covarying increase of CAPE with dew point temperature as well as the effect of high vertical wind shear causing an increase in cell area and thus precipitation sum. At the same time, cells move faster at high vertical wind shear so that Eulerian scaling rates are lower than Lagrangian but still above the CC-rate. The results show that wind shear and static instability need to be taken into account when transferring precipitation scaling under current climate conditions to future conditions. Secondly, the representation of convective cell properties in the convection-permitting climate model COSMO-CLM is evaluated. The model can simulate the observed frequency distributions of cell properties such as lifetime, area, mean and maximum intensity, and precipitation sum. The increase of area and intensity with lifetime is also well captured despite an underestimation of the intensity of the most severe cells. Furthermore, the model can represent the temperature scaling of intensity, area, and precipitation sum but fails to simulate the observed increase of lifetime. Thus, the model is suitable to study climatologies of convective storms in Germany. Thirdly, two COSMO-CLM projections at the end of the century under emission scenario RCP8.5 were investigated. While the number of convective cells and their lifetime remain approximately constant compared to present conditions, intensity and area increase strongly. The relative increase of intensity and area is largest for the highest percentiles meaning that extreme events intensify the most. The characteristic afternoon maximum of convective precipitation is damped, and shifted to later times of day which leads to an increase of nighttime precipitation in the future. Scaling rates of cell properties with dew point temperature are nearly identical in present and future in the simulation driven by the EC-Earth model which means that the upper limit of cell properties like intensity, area, and precipitation sum could be predicted from near-surface dew point temperature. However, this result could not be reproduced by the simulation driven by MIROC5 and needs further investigation.
• Konvektive Starkregenereignisse gehören zu den verheerendsten Naturkatastrophen in Mitteleuropa und werden im Zuge des anthropogenen Klimawandels voraussichtlich an Intensität zunehmen. Die Höhe dieser Zunahme und die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse sind allerdings noch sehr unsicher. Durch technischen Fortschritt stehen mittlerweile Fernerkundungstechniken zur Verfügung, die eine kontinuierliche Beobachtung konvektiver Stürme erlauben. Außerdem können Klimasimulationen seit einigen Jahren hochreichende Konvektion direkt simulieren. Auf Basis eines Zellverfolgungsalgorithmus wurden in dieser Arbeit sowohl beobachtungs- als auch modellbasierte Klimatologien von Eigenschaften konvektiver Zellen für Gegenwart und Zukunft analysiert. Mithilfe eines an ortsfeste Niederschlagsmessungen angeeichten Radardatensatzes wurde untersucht, wie großskalige atmosphärische Variablen die Eigenschaften konvektiver Stürme beeinflussen und welche Prozesse für das beobachtete super-Clausius-Clapeyron (CC) Scaling von konvektiven Niederschlägen verantwortlich sein könnten. Die Niederschlagssumme konvektiver Zellen steigt mit der Taupunkttemperatur weit über der CCRate an, wobei der Anstieg mit steigender Taupunkttemperatur zunimmt. Dieser starke Anstieg wird durch eine Zunahme von CAPE mit der Taupunkttemperatur verursacht, sowie durch den Effekt, dass vertikale Windscherung die Fläche der konvektiven Zellen und somit auch die Niederschlagssumme erhöht. Gleichzeitig sorgt hohe vertikale Windscherung dafür, dass die konvektiven Zellen sich schneller verlagern, sodass die ortsfesten Skalierungsraten unter denen der mitbewegten Niederschlagssumme, aber immer noch über der CC-Rate liegen. Diese Ergebnisse zeigen, dass das gegenwärtige Scaling nicht ohne Weiteres in die Zukunft übertragen werden kann, sondern Windscherung und die atmosphärische Schichtung berücksichtigt werden müssen. Es wurde evaluiert, inwieweit das regionale Klimamodell COSMO-CLM die Eigenschaften konvektiver Zellen abbilden kann. Hierzu wurden Simulationen, die mit Reanalysen angetrieben wurden, mit Beobachtungsdaten verglichen. Das Modell kann sowohl die beobachteten Häufigkeitsverteilungen der Zelleigenschaften ‚Lebensdauer‘, ‚mittlere und maximale Intensität‘, ‚Fläche‘ und ‚Niederschlagssumme‘ gut wiedergeben, als auch den Anstieg von Intensität und Fläche mit der Lebensdauer. Allerdings wird die Intensität und Fläche der extremsten Zellen unterschätzt. Des Weiteren kann die Simulation den Anstieg der hohen Perzentile von Intensität, Fläche und Niederschlagssumme mit der Temperatur wiedergeben, aber nicht den Anstieg der Lebensdauer. Somit ist das Model geeignet, die Klimatologien konvektiver Stürme in Deutschland zu untersuchen. Für die Zukunft (2071-2100) wurden zwei COSMO-CLM Simulationen, angetrieben von verschiedenen Globalmodellen unter dem repräsentativen Konzentrationspfad RCP8.5, untersucht. Die Intensität und Fläche der konvektiven Zellen steigt im Vergleich zur Gegenwart (1976-2005) in beiden Simulationen stark an, wohingegen Anzahl und Lebenszeit der Zellen gleich bleiben. Der relative Anstieg von Intensität und Fläche ist am größten für die hohen Perzentile, was bedeutet, dass sich extreme konvektive Ereignisse am stärksten intensivieren. Der typische Tagesgang des konvektiven Niederschlags ist in der Zukunft gedämpft. Während am Nachmittag weniger konvektiver Niederschlag fällt, nimmt er in der Nacht zu. Die Skalierungsraten der Zelleigenschaften mit dem Taupunkt sind in Gegenwart und Zukunft in der Simulation, die vom EC-Earth Modell angetrieben wird, nahezu identisch. Das bedeutet, dass die bodennahe Taupunkttemperatur einen guten Prädiktor für die Obergrenze von Intensität, Fläche, und Niederschlagssumme konvektiver Zellen darstellt. Dieses Ergebnis konnte allerdings nicht für die zweite, von MIROC5 angetriebene Simulation reproduziert werden, und bedarf daher weiterer Untersuchung.