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Results of case studies with a mesoscale β meteorological model applying two different strategies to treat subgrid-scale surface heterogeneity are compared with each other to evaluate the effects of these strategies on the predicted hydrologically relevant quantities. In the first strategy, the mosaic approach, different land-use types are considered as separate patches within a grid cell independently interacting with mean atmospheric field quantities of that grid cell. Feedback to the grid scale is accomplished by forming area-weighted quantities from the fluxes provided by the individual patches for the soil–biosphere–atmosphere interaction. In the second strategy, a higher resolution subgrid is established within each model grid cell and the soil–biosphere–atmosphere interaction is determined for each subgrid cell with its individual soil and biosphere conditions and near-surface meteorological forcing. Probability density functions are used to evaluate the statistical behavior of both the strategies. It is substantiated that the partitioning of the atmospheric radiative and moisture forcing at the surface as well as cloud and precipitation formation can significantly be affected by the type of strategy. Using the explicit subgrid strategy results in a shift in the partitioning of energy towards decreasing Bowen ratios as compared to the mosaic approach. For very heterogeneous surfaces with strongly varying soil types and plant species an area-weighted meteorological near-surface forcing as used in the mosaic approach may artificially reduce evapotranspiration. An explicit subgrid strategy or individual near-surface meteorological forcing within the mosaic approach seems to be more adequate under such surface conditions.DOI: 10.1034/j.1600-0870.1996.00012.x

For the analysis of trends in weather extremes, we introduce a diagnostic variable, the exceedance product, which combines intensity and frequency of extremes. We separate trends in higher moments from trends in mean or standard deviation and use bootstrap resampling to evaluate statistical significances. Application to daily meteorological records from Potsdam (1893–2005) and Prague (1775–2004) reveals that extremely cold winters occurred only until mid-20th century, whereas warm winters show upward trends. These were significant changes in higher moments of the temperature distribution. In contrast, trends in summer temperature extremes (e.g., 2003 European heatwave), can be explained by linear changes in mean or standard deviation. While precipitation at Potsdam does not exhibit pronounced trends, dew point displays an enigmatic change from maximum extremes during the 1960s to minimum extremes during the 1970s. Zur Untersuchung von Trends vonWetterextremen wird ein neuartiges „Wirkungsmaß” eingeführt, das Produkt der Extremwertübertreffung, welches die beiden Aspekte „Stärke” und „Häufigkeit” miteinander verbindet. Es werden Trends in höheren Momenten von Trends in Mittelwert und Standardabweichung getrennt sowie Bootstrap-Verfahren angewendet, um die statistische Signifikanz auszuwerten. Bei der Verwendung von meteorologischen Daten in täglicher Auflösung von Potsdam (1893–2005) und Prag (1775–2004) zeigt sich, dass extrem kalte Winter nur bis Mitte des 20. Jahrhundert auftraten, wohingegen warme Winter einen Aufwärtstrend aufweisen, welche signifikante Änderungen in höheren Momenten der Temperaturverteilung darstellen. Im Gegensatz dazu kann der Trend von Sommer-Temperaturextremen (z.B. die Hitzewelle im Jahr 2003 in Europa) durch Änderungen in Mittelwert und Standardabweichung erklärt werden. Während der Niederschlag in Potsdam keine ausgeprägte Trends zeigt, weist der Taupunkt einen rätselhaften Übergang von Maximumextremen in den 1960ern zu Minimumextremen in den 1970ern auf.

Nachdem der weitere Ausbau der Stromerzeugung aus Windenergie an Land an seine Grenzen stösst, rücken die küstennahen Bereiche der Seegebiete in den Mittelpunkt der Planungen. Aufgrund seiner Komplexität sind die Vorhersagen der relevanten Größen im Zeitbereich bis 48 Stunden in diesen Gebieten oftmals ungenau. Mittels systematischer Vergleiche von Prognosen und Messreihen meteorologischer Größen wurde untersucht, ob sich charakteristische Muster der Abweichung der Windprognose von der Messung in Abhängigkeit meteorologischer Größen und Prognosezeit finden und sich die Abweichungen verringern lassen. After the further development of the generation of current by wind energy on land areas is pushed to the borders the near-shore areas of the see regions moves into the center of plannings. Because of the complex behavior of such areas the prediction of the required meteorological values often becomes uncertain within the forecast range of 48 hours. Measurements of meteorological values and forecasts were compared systematically. By means of this comparisons it was examined, whether characteristical pattern of the deviation between measurements and forcasts, dependent on other meteorological values and forecast time, can be found. The possibility to reduce this deviations was verified.

Orographically enhanced precipitation played a major role in the flooding event in August 2002 in the Eastern Erzgebirge mountains. Both global and mesoscale models underestimated local intensities even with the correct position of the associated large-scale front. The limited area model LM of the DWD has been used in a sensitivity study of orographic precipitation involving an idealized bell-shaped orography. The dependence of precipitation on different determining parameters is investigated, with special emphasis on layer stability and wind structure. With the operational horizontal grid spacing of about 7 km, the LM simulations reproduce common distributions of vertical velocity and precipitation for uniformly stratified flows of varying stability. Highest rates are computed for stratiform cases with decreasing stability at higher levels and for convective environments. Both situations differ from the wave-like appearance of the uniformly stratified flows. Several vertical profiles of horizontal wind velocity structure are found to significantly influence magnitude and vertical decay of upward motion. Simplified profiles of the Eastern Erzgebirge mountain range and atmospheric conditions comparable to that of the flooding event are introduced to estimate the orographically-induced precipitation in a homogeneous flow. These numerical simulations are compared with values computed by the diagnostic maximum precipitation model MAXRR. Due to the relatively coarse grid in LM, small-scale differences through enhanced orographic lift cannot be resolved. Nevertheless, the amounts observed in this flooding case are reproduced with the high-resolution diagnostic model. Orografisch verstärkter Niederschlag im Bereich des Osterzgebirges spielte eine große Rolle bei der Entstehung des Elbehochwassers im August 2002. Sowohl globale als auch mesoskalige Vorhersagemodelle unterschätzten die lokalen Niederschlagsintensitäten trotz richtiger Positionierung des synoptisch-skaligen Frontenzuges. Zur Untersuchung der Gründe wurde das Lokalmodell des DWD für eine Sensitivitätsstudie bezüglich orografisch beeinflussten Niederschlags im Bereich eines idealisierten Glockenberges verwendet. Die Abhängigkeit des Niederschlags von verschiedenen Kontrollparametern wurde untersucht, mit besonderer Beachtung von Schichtungsstabilität und Horizontalwindstruktur. Bei Verwendung der operationellen Gitterweite von 7 km reproduzieren die Simulationen mit dem LM die bekannten Verteilungen von Vertikalwind und Niederschlag für unterschiedliche Schichtungen mit höhenkonstanten Temperaturgradienten. Die höchsten Niederschlagsraten ergeben sich jedoch für stratiforme Aufgleitprozesse im Fall von abnehmender Stabilität in mittleren und hohen Bereichen der Troposphäre sowie für konvektive Umgebungen, in beiden Fällen mit signifikanter Änderung des Vertikalwindfeldes verglichen mit der zuvor erwähnten Strömung. Der Einfluss des Vertikalprofils des horizontalen Windes auf Stärke und vertikale Abschwächung der Aufwärtsbewegung muss beachtet werden. Schließlich wurden die Sensitivitätsstudien ausgedehnt auf ein vereinfachtes Höhenprofil des Osterzgebirges. Als Ausgangssituation wurden dabei die atmosphärischen Bedingungen verwendet, die mit denen des Hochwasserereignisses vergleichbar sind. Diese numerischen Simulationen wurden mit Werten des einfachen diagnostischen Maximalniederschlagsmodells MAXRR verglichen. Entsprechend der relativ groben Gitterweite des LM können kleinräumige Unterschiede durch verstärkte orografische Hebung nicht wider gegeben werden, wogegen die beobachteten Niederschlagsmengen des Hochwasserereignisses mithilfe des hoch aufgelösten diagnostischen Modells erreicht werden.

Der mittlere Wind in der atmospärischen Grenzschicht über den deutschen Nord- und Ostseegebieten unterscheidet sich gegenüber Landflächen durch höhere Windgeschwindigkeiten, eine stärkere Zunahme mit der Höhe und schwache Tages- sowie ausgeprägte Jahresgänge der Windgeschwindigkeit in Bodennähe. Neben diesen Vorteilen ergeben sich auch Nachteile im Hinblick auf die Windenergienutzung offshore. Das betrifft die Anforderungen an die Technik der Windstromerzeugung sowie wie die Messung und Prognose der relevanten meteorologischen Parameter. Nach Abschätzungen möglicher Flächen für die Windnutzung offshore und anlagentechnischer Möglichkeiten ist von einem enormen technischen Angebotspotenzial an Elektroenergie auszugehen, dem jedoch auch Beschränkungen seitens der Netzstruktur und Nachfrage entgegenstehen. Um das große Potenzial zur Stromerzeugung und Umweltentlastung nutzen zu können, sollte die Entwicklung in den kommenden Jahren im Bereich Windprognose, Anlagenbau, Regelungstechnik und Energiespeicherung zu weiteren Verbesserungen führen. The averaged wind in the Planetary Boundary Layer over the german North Sea and Baltic Sea areas shows some differences to the wind over land areas. There are higher wind speeds, a stronger increasing with height and slight daily and more distinctive annual variations of the near surface winds. Thats why the utilization of wind energy offshore has advantages. But also exists certain drawbacks in reference to technical requirements and the measurement and prediction of meteorological parameters. Estimations of suitable areas and technical prospects indicate a large technical offer potential of electric energy offshore, though additional restrictions must be considered. To make this potential of electric energy and environmental protection usable todays knowledge of systems and control engineering, energy storage and wind prediction should be improved in the coming years.

Hier werden einige Ansätze dargestellt, um das Schadenspotential von Stürmen abzuschätzen. Dabei sollen auch Aussagen zur Größenordnung des Schadens bei sehr unwahrscheinlichen Ereignissen gemacht werden. Die Naturgefahr Sturm wird getrennt nach außertropischen Zyklonen und Tornados betrachtet. Im ersten Fall werden empirische Verteilungsfunktion und mittels einer Markov Methode erzeugte synthetische Windreihen zur Abschätzung extremer Windgeschwindigkeiten genutzt. Eine Abschätzung der Böen wird durchgeführt und der Schaden mit Hilfe einer einfachen Beziehung zwischen Böengeschwindigkeit und Schaden ermittelt. Für die Abschätzung des Schadens im Falle eines Tornados werden von Dotzek angegebene Wahrscheinlichkeiten für Tornados in Deutschland und die Definition einer Tornadointensitätsskala als Schadensfunktion verwendet. Some conceptions were explained, to estimate the risk of storm caused damages. The amount of damage by unlikely events is assessed. The natural hazard storm is considered separately for extratropical cyclones and tornadoes. Empirical distribution functions and synthetic series of wind speeds generated by a Markov chain model are used to derive the extreme wind speeds for cyclones. An estimation of gust speeds are performed and a simple relationship between gust speed and damage is applied. The likelihood of tornadoes to occur in Germany provided by Dotzek and the definition of an intensity scale are used to estimate the damage in the case of tornadoes.

Das Jahr 1816 ist in die Klimatologie als das 'Jahr ohne Sommer' eingegangen. Der 1815 erfolgte Ausbruch des Vulkans Tambora auf der indonesischen Insel Sumbawa führte im darauffolgenden Jahr in vielen Teilen der Welt zu katastrophalen Missernten. Während in Nordamerika daran besonders die außerordentlich tiefen Sommertemperaturen Schuld waren, scheinen in Europa dafür sowohl die unter dem Durchschnitt liegenden Temperaturen wie auch die überdurchschnittlichen Regenmengen verantwortlich zu sein. Zeitgenössische Berichte wie auch Niederschlags- und Pegelaufzeichnungen aus verschiedenen Teilen Europas belegen eine besonders hohe Niederschlagstätigkeit im 'Erntemonat' Juli des Jahres 1816 und eine hohe Wasserführung der großen europäischen Ströme in den Jahren 1816 und 1817. The year 1816 is known in climatology as the 'Year without Summer'. The eruption of the Tambora volcano on the Indonesian island Sumbawa in 1815 led to catastrophic crop failures over many parts of the world in the following year. Whereas in North America those failures originated from extraordinarily low summer temperatures, causes in Europe seem to have been below-normal temperatures as well as above-normal rainfall. Contemporary reports and also precipitation and river gauge measurements from different parts of Europe document enhanced precipitation in July 1816 ('Erntemonat') and high discharges of large European rivers in years 1816 and 1817.

Mit dem mesoskaligen nichthydrostatischen Modell 'Lokal Modell' (LM) des Deutschen Wetterdienstes (DWD) werden die Vorgänge in einer Orkanzyklone simuliert. Als Beispiel wird das Tiefdruckgebiet Ginger aus dem Jahr 2000 dargestellt. Die meteorologischen Antriebsdaten wurden durch das globale Modell des DWD erzeugt. Die Auswirkungen von Veränderungen verschiedener Bedingungen auf die Entwicklung der Zyklone, und vor allem auf das Windfeld, sollen untersucht werden. Dazu werden die Antriebsdaten künstlich verändert. Im Beispiel wird der horizontale Temperaturgradient geändert, und die Folge auf Druckverteilung und Windgeschwindigkeit betrachtet. Da das LM nur einen Ausschnitt aus der Atmosphäre simuliert, kommt es durch die Eingriffe in die Antriebsdaten zu Problemen am Rand. Ein Verfahren wird getestet, um diese zu vermeiden. The development of a cyclone is simulated with the nonhydrostatic limited area model 'Lokal Modell' (LM) of the German Weather Service (DWD). The cyclone Ginger which occurred in 2000 serves as an example. The forcing data were generated by the global model of the DWD. The effects of various conditions were considered contributing to the evolution of Ginger and mainly to its velocity field. For this purpose, the forcing data were artificially varied. As an example the horizontal temperature gradient was changed. The effects on the pressure field and its corresponding velocity field are discussed. As the LM simulates only a limited area, the lateral bounds become problematic because of the manipulated forcing data. A procedure is tested, in order to prevent this problems.

Die Vorteile der Kernschätzung gegenüber dem Abzählen von Ereignissen in Zeitintervallen werden dargestellt. Für das beiden Methoden gemeinsame Glättungsproblem gestattet die Kreuzvalidierung eine Lösung. Für die Hochwasserereignisse der Oder im Zeitraum 1350 bis 1850 wird eine Abnahme der Häufigkeit nach ca. 1675 gefunden; weitergehende Aussagen bedingen eine Homogenisierung der Daten. Die dargestellte Methodik wird gegenwärtig in das Computerprogramm XTREND implementiert. The advantages of kernel estimation over counting of events within time intervals are shown. Cross validation offers a solution for the smoothing problem which is common to both methods. As regards ooding events of the river Oder in 1350 to 1850, a decrease in the frequency after about 1675 is found. More detailed results demand homogenized data. The method is currently being implemented into the computer program XTREND.

Der 'Hundertjährige Kalender' basiert auf Wetteraufzeichnungen von Mauritius Knauer (1613-1664 ), der als Abt im oberfränkischen Zisterzienserkloster Langheim wirkte. Die zwischen März 1652 und März 1659 fast täglich notierten Beobachtungen ermöglichen eine statistische Auswertung und die - teilweise sogar quantitative - Gegenüberstellung damaliger und heutiger Wetterverhältnisse. Vergleiche mit Niederschriften weiterer zeitgenössischer Autoren belegen den wissenschaftlichen Wert der Knauerschen Aufzeichnungen. Der Beobachtungszeitraum fällt in die 'kleine Eiszeit' und zeichnet sich durch eine Reihe sehr strenger Winter aus. The 'Hundred Year''s Calendar' is based on weather recordings of Mauritius Knauer (1613-1664 ), which worked as an abbot in the upper-Frankish Cistercian monastery Langheim. Between March 1652 and March 1659 almost daily noted observations enable a statistical analysis and - partly even quantitative - the confrontation weather conditions at that time and of today''s. Comparisons with notes of further contemporary authors show the scientific value of the Knauer recordings. The observation period falls into the 'little ice age' and is characterised by a series very severe winter.

Es wird aufgezeigt, wie durch die Notwendigkeit, in (Chemie-Transport-)Modellen diskretisieren zu müssen, die natürliche Heterogenität einer Landschaft bei der Modellierung reduziert wird. Es wird ein Maß definiert, mit dessen Hilfe die Heterogenität eines Gebiets, z.B. einer Gitterzelle erfaßt werden kann. Das Maß erlaubt auch, unterschiedliche Gebiete bezüglich ihrer Heterogenität zu vergleichen. Es bezieht sowohl den Wechsel von Flächen unterschiedlicher Landnutzung als auch die Anzahl der Ökosysteme ein. The loss of information due to discretization is illustrated. A measure is defined that allows to characterize the degree of heterogeneity of an area, for instance a grid cell, with respect to the boundaries between areas of different landuse as well as the amount of ecosystems. lt also allows to compare different landscapes with respect to their heterogeneity.

Die lange Lebensdauer und die hohe Intensität der Wirbelschleppen landender Großraumflugzeuge kann zu einer Gefährdung des nachfolgenden Verkehrs führen. Zur Vorhersage einer gefährdungsfreien Nutzungszeit der Landebahn, nach der die Staffelungsabstände der landenden Flugzeuge bestimmt werden, dient ein Wirbelschleppenwarnsystem. Ein wesentlicher Teil dieses Warnsystems ist die Vorhersage des quer zur Landebahn wehenden Windes. Dafür wird bisher ein auf Persistenz beruhendes Verfahren eingesetzt. Die vorliegende Arbeit zeigt, daß durch Verwendung eines autoregressiven Modells die Querwindprognose verbessert werden kann. Dazu werden die Meßdaten analysiert und die Modellparameter geschätzt. Der Einsatz der AR Prognose im Wirbelschleppenwarnsystem führt im Vergleich zur bisherigen Methode zu längeren Nutzungszeiten und vermeidet das Auftreten von Diskontinuitäten (Sprüngen) in der Vorhersage. Besonders durch letzteres wird die Akzeptanz des Warnsystems bei den Fluglotsen verbessert.

Modem measurement methods ofthe surface turbulent fluxes (STF) of heat, moisture and momentum in the near surface atmospheric layer by the eddy correlation method and their calculation, relay on the validity of the similarity theory of Monin-Obukhov, which requests stationarity and horizontal homogeneity. Experimental data taken at specially selected sites allowed to develop this concept. Recently performed experiments, purposely conducted in non-ideal conditions showed an underestimation ofthe STF values. To systematise this effect it is suggested to parameterize such underestimation as the influence of inhomogeneity and nonstationarity of the landscape and the atmosphere around the point of observation. This scheme might prove to be useful for the design of new validation experiments in non-ideal terrain. Modeme Meßmethoden zur Erfassung der turbulenten Oberflächenflüsse für fühlbare und latente Wärme sowie Impuls mit Hilfe der Eddy-Korrelations-Methode basieren für die bodennahe Grenzschicht auf der Monin-Obukhov-Turbulenztheorie, die stationäre und horizontal homogene Verhältnisse voraussetzt. Über speziell ausgewählten Oberflächen wurde dieses Konzept häufig mit Erfolg überprüft. Experimente jedoch, die gezielt unter inhomogenen Verhältnissen durchgeführt werden, zeigen oft eine Unterschätzung der turbulenten Oberflächenflüsse. Es wird vorgeschlagen, diese Unterschätzungen als einen Einfluß inhomogener Umbegungsbedingungen und instationärer atmosphärischer Prozesse zu interpretieren und zu systematisieren. Dieses Schema kann dazu beitragen, eine neue Art von Validierungsexperimenten unter natürlichen Verhältnissen einer inhomogenen Umgebung zu entwerfen.

Synchrone Messungen der Windgeschwindigkeit und die Leistung von Windkraftanlagen dienen der Ermittlung der Kennlinien der Anlagen. Die existierenden Vorschriften zur Vermessung enthalten bezüglich der Strömungseigenschaften des Windes nahezu keine Spezifikationen. Diese sind jedoch notwendig, um die erreichbare Genauigkeit und Repräsentativität der vermessenen Kennlinie zu quantifizieren. Messungen am Standort der AEOLUS II-Anlage in Wilhelmshaven dienten dazu, bei einer Anlagenvermessung die Eigenschaften der Strömung und die Kennlinie gemeinsam zu untersuchen. Es wurde gefunden, daß die Strömungseigenschaften wie die vertikale Windscherung, die Winddrehung über der Höhe, die turbulenten Schwankungen der Windgeschwindigkeit und der Windrichtung die Leistung von Windenergieanlagen bei gleicher mittlerer Windgeschwindigkeit erheblich verändern. Dabei wirken sowohl Standorteigenschaften als auch die Witterung auf die Ergebnisse der Vermessung. Am gleichen Standort können in anisotropem Gelände die Werte der Kennlinie auch bei mehrmonatigen Vermessungen wegen der Variabilität der Windrichtung Unterschiede von mehr als 10 % aufweisen. Der größte Einzeleffekt wird von der vertikalen Windscherung verursacht, die Wirkung der Drehung des mittleren Windvektors über der Rotorfläche ergab sich als kleinerer Effekt. Die Wirkung der turbulenten Schwankungen von Geschwindigkeit und Richtung weisen meist unterschiedliche Vorzeichen auf, so daß die Rolle dieser Schwankungen insgesamt meist klein bleibt. Die Vermessung einer Kennlinie mit einer kleineren systematischen Abweichung von im Mittel weniger als etwa 5 bis 10 % erfordert eine genaue Strömungsspezifikation sowohl für den Vermessungs- als für den Betriebsstandort, die bisher nicht in hinreichendem Maße in den entsprechenden Richtlinien und Vorschriften enthalten sind. Power curves ofwind energy convetras need synchronous measurements of wind and power. The existing specification on the wind measurements are rather poor, however necessary. AEOLUS II-measurments and the wind measurments served to quantify the role of the different atmospheric parameters. Thus it was possible to define the influence on the power output of the machine as a function of the vertical wind shear, the wind veer with height, the turbulent fluctuations with the average wind speed being constant. As a consequence site properties and weather conditions both influence the measurements of the power curve. As a major result it was found that these factors may alter the power curve by as much as 10 %. The largest single effect is produced the effects of the vertical wind shear, The turbulent fluctuations are somewhat smaller in their effect, because speed and direction effects tend to compensate each other. lt may be concluded that a highly accurate power curve - meaning errors to be less than 10 % - requires a fully specified set of weather and site parameters.

Bei der Errichtung von Windenergieanlagen in Mittelgebirgsregionen ist darauf zu achten, daß an windexponierten Standorten die Gefahr einer Vereisung der Rotorblätter besteht. Es wurden klimatologische Daten im Bereich der Mittelgebirge ausgewertet und daraus eine Karte erarbeitet, in der die jährliche mittlere Häufigkeit der Tage mit Eisablagerungen dargestellt ist. With the installation of wind turbines in low mountain areas the hazard of ice accretions on rotor blades at windy places must be considered. Interpreting climatological datas of the low mountain areas of S. E. Germany a map has been produced which shows the annual frequencies of days ice accretions on structures occurs.