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Daten und Methoden

Die verwendeten Daten und Methoden für die Erstellung der Hagelklimatologie sind in den folgenden Absätzen erklärt. Datengrundlage sind die Radardaten der MeteoSchweiz, welche unter anderem mit dem HailStoRe Resampling-Ansatz für statistische Aussagen weiterverwendet wurden.

Hagel kann nicht flächendeckend am Boden gemessen werden. Alle vorgestellten Produkte basieren auf Radarhageldaten, die mit Hilfe von Algorithmen aus den Radarmessungen abgeleitet werden. Die Radarhageldaten werden mit punktuellen Bodenbeobachtungen wie Hagelkornfunden oder Schäden plausibilisiert. Die vorhandene Radardatenreihe ab 2002 ist für klimatologische Aussagen relativ kurz. Daher werden zur Abschätzung von seltenen, stärkeren Gefährdungen statistische Ansätze angewendet (sogenanntes Resampling), um auch Aussagen über extreme Ereignisse zu machen, die beispielsweise nur alle 50 Jahre erwartet werden.

Radardaten

Als Grundlage für die klimatologischen Berechnungen dienen Daten der Wetterradare der MeteoSchweiz. Im Gegensatz zu anderen Messdatentypen eignen sich Radardaten besser zur Berechnung einer Hagelklimatologie, da Radardaten flächendeckend sowie zeitlich und räumlich hoch aufgelöst sind. Dies ist für die Beobachtung von vergleichsweise kleinen und kurzlebigen Phänomenen wie Hagelgewittern, eine unabdingbare Voraussetzung.

     

Das Schweizer Wetterradarnetz

Seit 2002 liegen die Rohdaten des Schweizer Radarnetzwerkes in hoher Qualität vor. Diese Daten decken die gesamte Schweiz und angrenzende Regionen ab. Zwischen 2002 und Ende Mai 2014 waren insgesamt drei Radare in Betrieb, an den Standorten Monte Lema im Tessin, Albis bei Zürich und La Dôle bei Genf (3. Radargeneration des Schweizer Messnetzes). In den Jahren 2011 und 2012 wurden die Radare im Projekt Rad4Alp komplett erneuert und mit den neusten technologischen Eigenschaften ausgestattet (4. Radargeneration des Schweizer Messnetzes). Der Generationswechsel brachte nochmals eine massive Verbesserung der Datenqualität. Mitte 2014 und Anfang 2016 kamen zwei weitere Radare in Bergregionen dazu: Eines auf der Pointe de la Plaine Morte im Wallis und das andere auf dem Weissfluhgipfel bei Davos. Die neuen Radare bieten eine bessere Sichtbarkeit der teils abgeschatteten Bergregionen und garantieren eine Abdeckung der Schweiz, falls eines der anderen Radare je ausfallen sollte. Im Schweizer Radarnetzwerk erfolgt alle 5 Minuten eine neue 3D-Messung, welche mit 1 km2 Auflösung abgespeichert wird. 
   

Hagelalgorithmen

Bei Radardaten handelt es sich um Messungen von Reflektivitätssignalen in der Höhe, zum Beispiel von Regentropfen oder Eispartikeln in Wolken. Diese Signale müssen für Angaben zum Wettergeschehen am Boden zunächst aufwändig umgerechnet werden. Die Hagelabschätzungen basieren auf dem Unterschied der Höhe der Nullgradgrenze in der Umgebung des Gewitters, welche dem Wettermodell entnommen wird, und der Höhe des sogenannten EchoTop-Signals vom Radar. Das EchoTop steht in Zusammenhang mit dem aktiven Kern einer Gewitterwolke. Je grösser der Abstand zwischen EchoTop und Nullgradgrenze, desto grösser die Hagelwahrscheinlichkeit und die erwarteten Korngrössen. Bei MeteoSchweiz werden seit 2002 hauptsächlich zwei Hagelalgorithmen verwendet:

  • POH (Probability of Hail), gibt die Hagelwahrscheinlichkeit am Boden pro 1km2 an (Waldvogel et al. 1979 und Foote et al. 2005). Der Algorithmus basiert auf dem 45dBZ-EchoTop, also der grössten Höhe innerhalb einer vertikalen Säule, auf welcher ein 45dBZ-Reflektivitäts-Signal vom Radar gemessen wird.
     
  • MESHS (Maximum Expected Severe Hail Size), gibt die grösstmögliche Hagelkorngrösse an, welche pro 1km2 auftreten könnte (Treloar 1998 und Joe et al. 2004). Der Algorithmus basiert, ähnlich wie POH auf dem Zusammenhang zwischen dem 50dBZ-EchoTop und der Höhe der Nullgradgrenze. MESHS ist eine Schätzung, wie gross ein Hagelkorn sein könnte, welches bei langem Verbleiben in der beobachteten Gewitterwolke wachsen konnte, schlussendlich aus der Wolke fällt und am Boden aufprallt. Dass ein Hagelkorn der Grösse MESHS innerhalb des betroffenen Quadratkilometers am Boden von jemanden gefunden wird, dürfte nur selten vorkommen. Erstens wird dieser maximal denkbare Durchmesser in der Realität oft nicht oder nur knapp erreicht. Zweitens ist die Wahrscheinlichkeit klein, dass eine Person das grösste am Boden innerhalb eines Quadratkilometers aufprallende Korn findet, bevor es schmilzt. Da es von den grössten Hagelkörnern innerhalb des Quadratkilometers nur wenige gibt, ist die Wahrscheinlichkeit klein, dass ein solches z.B. genau auf ein Hausdach fällt und Schäden anrichtet

Sowohl POH wie auch MESHS werden flächendeckend über der ganzen Schweiz und dem angrenzenden Ausland mit einer Maschenweite von 1 Kilometer und einer zeitlichen Auflösung von 5 Minuten berechnet. Beide Datenfelder sind jeweils eine Minute nach den Radarmessungen verfügbar.
     

Kontrolle und Verbesserung der Datengrundlage

Obwohl Radardaten sich gut für Hagelbeobachtungen eignen, bringt ihre Anwendung zur Erstellung einer Klimatologie einige Herausforderungen mit sich.

  • Radardaten werden im Wetterbereich typischerweise zur Beobachtung und Kurzfristprognose verwendet und nicht zu klimatologischen Zwecken. Deswegen ist z.B. die zeitliche Homogenität der Datenreihe nicht gegeben. Des Weiteren heisst dies auch, dass scheinbar kleine Fehler in den Messungen, die in der "normalen" real-time Anwendung keine Hindernisse darstellen und vom Menschenauge einfach ausgefiltert werden, bei der Datenaggregation Probleme darstellen können.
      
  • In der Zeitspanne von 2002 bis heute wurden die Radaranlagen selbst, sowie die in die Hagelalgorithmen einfliessenden Daten der Wettermodelle, stetig verbessert. Während diese Verbesserungen die Qualität der Beobachtungen und Vorhersagen erhöhten, haben diese Veränderungen Auswirkungen auf die langjährige Vergleichbarkeit von Messungen.

Wegen dieser Punkte ist eine aufwändige Kontrolle und Vorbereitung vor der Weiterverwendung der Daten unabdingbar. Bei der Erarbeitung der Datengrundlage für die neue Hagelklimatologie der Schweiz wurden Auswirkungen der technischen Änderungen auf die vieljährige Datenreihe erstmals dokumentiert, quantifiziert und nach Möglichkeit korrigiert. Das Ziel ist es, einen zeitlich möglichst homogenen Datensatz zu erhalten, um langfristig robuste Aussagen über das Hagelgeschehen machen zu können.

HailStoRe

Die Voraussetzungen für die Berechnung von Wiederkehrperioden sind sehr lange Messreihen. Die Zeitreihe der Radarmessungen seit 2002 ist kurz, gemessen an klimatologischen Zeitskalen von normalerweise mindestens 30 Jahren und mehr. Zusätzlich ist Hagel ein sporadisches Phänomen, es tritt auf einen einzelnen Ort bezogen sehr selten auf, und dauert meist nur einige Minuten. Die Abbildung der Gesamtsumme der Tage mit Hagel pro Ort zeigt, dass es mit Ausnahme der Hotspot-Regionen nur wenige Orte mit ausreichend Daten für eine robuste statistische Auswertung der Extreme in den Beobachtungsdaten gibt. Räumliche klimatologische Auswertungen sind daher oft von einzelnen beobachteten Gewitterzellen geprägt. Aufgrund der Natur von Hagelgewittern ist davon auszugehen, dass die langjährigen Auftretenswahrscheinlichkeiten räumlich homogener sind. Beim nächsten Gewittertag kann ein Gewitter auch eine leicht veränderte Zugbahn einschlagen – auch wenn der Variabilität im Gebirgsland Schweiz durch das Gelände Grenzen gegeben sind.

  
Zur Gefährdungsabschätzung der Hagelereignisse wurde daher ein Resampling-Ansatz angewandt, ein statistisches Verfahren, bei dem beobachtete Ereignisse stochastisch vervielfältigt werden. Es findet in der Gefährdungs- und Risikoanalyse der Versicherungs- und Rückversicherungswirtschaft, aber auch der auswirkungsorientierten (impact-oriented) Klimaforschung Anwendung (z.B., Schwierz et al. 2010, Bloemendaal et al. 2020). Der «Hail Storm Stochastic Resampler» (HailStoRe) berücksichtigt die beobachtete Variabilität von Hagelereignissen und berechnet über die Beobachtungen hinaus Abschätzungen der räumlich-zeitlichen Auftretenswahrscheinlichkeiten von Hagel in der Schweiz. Die Methode umfasst verschiedene Module.
    

Grundlage und Konzept

Als wichtigste Grundlage dienen die neuen, für die klimatologische Anwendung optimierten Radarhageldaten. Hochaufgelöste Details einzelner Hagelzellen werden dann im Zusammenhang mit grossskaligen atmosphärischen Bedingungen, unter anderem aus den MeteoSchweiz Wetterlagen-Klassifizierungen analysiert. Es werden zunächst statistische Modelle darüber aufgestellt, wann und wo unter welchen Bedingungen Hagel in der Vergangenheit in der Schweiz aufgetreten ist Diese Modelle machen es möglich, basierend auf den grossskaligen Wetterlagen zufallsbasiert hypothetische Hagelereignisse in Form von synthetischen Radarhagelfeldern zu erstellen, welche unter den heutigen Klimabedingungen plausibel auftreten könnten. In Folge kann die potenzielle Gefährdung eines schweren Hagelgewitters unter Annahme verschiedener, stochastisch generierter Zugbahnen simuliert werden. Des Weiteren dienen die so simulierten Zeitreihen als Grundlage für die Berechnung der statistischen Wiederkehrperioden der Hagelkorngrössen.
     

Schritte

Das entwickelte Resampling-Modell HailStoRe (Hail Storm Stochastic Resampler) umfasst mehrere Schritte. Die einzelnen HailStoRe-Module ermöglichen eine flexible Anpassung der Voraussetzungen, um Ensembles von plausiblen Hagelereignissen zu erstellen.