HeavyPreeipitationon the - ETH E-Collection

Diss. ETH No. 15622
Novel Perspectives of Jet-Stream
Climatologiesand Events of
Heavy Preeipitation on the
Alpine Southside
A dissertation submitted to the
Swiss Federal Institute of Technology (ETH) Zürich
For the degree of
Doctor of Sciences
Presented
by
Patrick Koch
Dipl. Phys. ETH
born 2 July, 1974
Citizen of VillmergenAG, Switzerland
Accepted on the recommendationof
Prof. Dr. Huw C. Davies, ETH Zürich, examiner
Prof. Dr. John R. Gyakum, McGill University, co-examiner
Prof. Dr. Heini Wernli, University of Mainz, co-examiner
June 2004
Abstract
decades, several studies have emphasized the relevance of the
tropopause region for the dynamics of transient synoptic weather Systems. In
In the last two
independent parts of this thesis, novel perspectives are explored of two
salient topics of dynamical meteorologythat are related to characteristic features
the two
at
tropopause level.
jet streams. Increased knowledge and under¬
standing are sought related to their structure, geographical distribution, seasonal
In the first
part, the focus is
on
Variation and dynamics. There are limitations to existing jet-stream climatolo¬
gies based upon mean zonal wind distributions, since they capture only a single
maximum, the so-called subtropicaljet, in contrast to daily upper-air Charts that
reveal more intricate multiple-jet structures. In this study, a novel type of eventbased jet-stream climatology is presented for both hemispheres using ECMWF
reanalysis data for the years 1979-1993 (ERA15). It involves the detection of
transient jet streams based upon an objective criterion. The resulting space-time
distribution of jets provides a rieh data set for climatological studies.
A first applicationis to categorizetwo types of jet streams based upon their baroclinic characteristics, rather than the classical subtropical/polar-frontjet Classi¬
fication. A second application is the determination of the winter climatological
positionsand frequenciesof single and double jets and the study of their respective dynamical characteristics with a composite approach. It is shown that Single
jets over the Atlanticin the Northern Hemisphere and over the western Pacific in
the Southern Hemisphere have different characteristics. Moreover, the oecurrence
of the single- or double-jet configuration over the Atlantic significantly relates to
the frequency of cyclones affecting western Europe.
undertaken of heavy preeipitation episodes on
the Alpine southside associated with meridionally elongated intrusions of stratospheric air (upper-level precursors) over western Europe. Particular attention is
directed to the September 1993 and October 2000 episodes that caused exten¬
sive damage in the Swiss cantons of Valais and Ticino and in Northern Italy.
The focus is on the relative role of the Mediterraneanand the Atlantic moisture
suppliers of these extreme rain events. In a sequence of numerical Simulation
experiments, evaporation from each water basin is removed. First, the relative
impacts on preeipitation in the Alpine region are investigated. It is shown that a
high variability exists from one flood event to the other. In the September 1993
episode, the Mediterraneanis the main supplier of moisture for the preeipitation.
In the October 2000 event, both water basins play a role during the first half of
In the second
part,
a
study is
the event when the flow in the Alpine region is mainly southwesterly. During
the second half of the episode the flow turns southerly to southeasterly and the
Mediterraneanhas the major impact on the rainfall. Moreover, backward trajectories indicate the possible involvement of moisture of tropical origin during the
second half of the event. Second, an investigation is undertaken of the impacts
of the Atlantic and the Mediterraneanupon the development of the upper-level
precursor. It is shown that the Atlantic has the main impact and that the influ¬
ence of the Mediterraneanis marginal. There are neverthelessdifferent evolutions
of the upper-level precursor for the two different heavy rain episodes, when the
Atlantic is removed. In the September 1993 event the upper-level precursor regresses northward. In the October 2000 event, the precursor is still present but
is shifted farther eastward and has a lesser meridional extension. The differences
observed in the simulated genesis of the upper-level precursor have direct implications in the determination of the regions that eventually run the risk of being
affected
by heavy preeipitation episodes.
Resume
Ces dernieres deux decennies, plusieurs etudes ont souligne l'importance de la
region de la tropopause pour la dynamique des systemes meteorologiques et synoptiques transitoires. Dans les deux parties independantes de cette these, de
nouvelles perspectives relatives ä deux sujets saillants de la meteorologie dy¬
namique et lies ä des traits caracteristiques presents au
sont explorees.
niveau de la
tropopause
courants-jets.
Une meilleure connaissance et comprehension de leur structure, distribution geographique, variations
saisonnieres et de leur dynamiquesont ici recherchees. Les climatologies actuelles
de courants-jets basees sur des distributions moyennes de vent zonal montrent de
serieuses limites. En effet, elles ne capturent qu'un seul maximum (assimile au
jet subtropical) au contraire des cartes meteorologiques quotidiennes de la haute
troposphere qui revelent des structures plus complexes de jets multiples. Dans
cette etude, une climatologiedes courants-jets d'un nouveau type bas£e sur leurs
evenements et sur les donnees re-analys^esdu CEPMMT couvrant la Periode de
1979 ä 1993 (donnees ERA15) est presentee pour les deux hemispheres. Elle implique la detection de courants-jets transitoires basee sur un critere objectif. La
distribution spatio-temporelledes jets ainsi obtenue fournit un riche ensemblede
donnees pour des etudes climatologiques.
Une premiere application est la categorisation de deux types de courants-jets
basee sur leurs caracteristiques barocliniquesplutöt que sur la Classification classique subtropicale/frontpolaire. Une seconde application est la determination
des positions et fr^quences climatologiques hivernales des jets uniques et doubles
et l'etude de leurs caracteristiques dynamiques mutuelles en adoptant une ap¬
proche composite. II est montre que les jets uniques au-dessus de l'Atlantique
dans l'hemisphere nord et au-dessus de l'ouest du Pacifique dans l'hemisphere
sud ont des caracteristiques differentes. De plus, la fr&ruence des configurations
de jets uniques ou doubles sur l'Atlantiqueest liee de maniere significative ä la
frequence des depressions affectant directement l'ouest de l'Europe.
La
premiere partie
se
concentre
sur
les
est menee concernant les episodes de fortes
precipitations au sud des Alpes associees ä des intrusions meridionalementetendues
dans la troposphere d'air stratospherique au-dessus de l'ouest de l'Europe (les
precurseurs de haute altitude). Une attention particuliere est port^e aux episodes
de septembre 1993 et d'octobre 2000 qui causerent d'importants degats dans les
cantons suisses du Valais et du Tessin, ainsi qu'au nord de lTtalie. L'accent est mis
sur le role relatif joue par les sources d'humidite que constituent la Mediterranee
Dans la deuxieme
partie, une etude
xn
dans ces phenomenes extremes de pluies diluviennes. Dans une
sequence de simulations numeriques, l'evaporationde chaque bassin hydrologique
est supprimee. Les impacts relatifs sur les precipitations dans la region alpine
sont examines dans un premier temps. II est montre qu'une grande variabilitedes
resultats existe entre les deux evenements. Ainsi, la Mediterranee est le principal
fournisseurd'humidite pour les precipitations de l'episode de septembre 1993. En
revanche, les deux bassins hydrologiques jouent un role durant la premiere moitie
de l'episode d'octobre 2000 alors que le flux dans la region des Alpes est principalement du sud-ouest. Durant la deuxieme moitie de l'episode, le flux tourne au
sud puis au sud-est et la Mediterranee a alors le principal impact sur les quantites
de precipitations. De plus, des retro-trajectoires indiquent la possible implication d'humidite d'origine tropicale durant la deuxieme moitie de l'episode. Dans
un second temps, une etude est menee sur les impacts de l'Atlantique et de la
Mediterranee sur le developpementdu precurseur de haute altitude. II est montre
que l'Atlantique a le principal impact et que l'influence de la Mediterranee est
marginale. Differentes evolutions du precurseur caracterisent cependant chaque
episode pluvieux lorsque l'Atlantique est supprime. Le precurseur regresse ainsi
vers le nord lors de l'episode de septembre 1993 alors que dans celui d'octobre
2000, le precurseur est toujours present, bien que deplace vers l'est et pourvu
d'une etendue meridionale moindre. Les differences observees dans les geneses
simulees du precurseur de haute altitude ont des implications directes sur la
determination des regions qui courent le risque d'etre affectees par des episodes
de pluies diluviennes.
et
l'Atlantique