Exploring German Radar Data for Consistency and Potential Scaling in Time and Space

This cumulative dissertation includes four peer-reviewed and published articles. It evaluates three open-access radar quantitative precipitation estimate (QPE) products from the German Weather Service (DWD) with different temporal resolutions. The improved length and quality of the DWD’s radar QPE products allows a detailed assessment of existing statistical precipitation characteristics and scaling laws, which are established on the basis of traditional point measurements only. The focus of the thesis is on heavy to extreme rainfall and scaling characteristics in time and space. The first publication is a comprehensive assessment of spatio-temporal heavy rainfall pattern in context of urban rainfall modification. The analysis identifies storm alteration by the city of Berlin using the RADOLAN-RW product, suitable for event analysis. Six storm categories were identified and newly introduced tools, such as the amplification factor helped to quantify the changes. The second and third publications focus on the re-evaluation of point-based findings from literature. The first compares depth-duration relationships based on 400,000+ grid cells within Germany for durations of 10 min to 3 days based on 16 years of RADKLIM-YW (5 min and 1 km spatio-temporal resolution) with a well-established global rainfall maxima curve. The German regional curve showed a 'three-phase-regime', governed by the temporal structure of very few extreme rainfall events. Three groups of curve characteristics for single grid cells were identified, based on the rainstorms that had occurred at the individual location. The third article shows the significance of using moving time interval maxima (M-Maxima) over fixed maxima (F-Maxima) and also helps to describe the probabilistic nature of the distribution of potential correction factors, in this case the Sampling Adjustment Factor (SAF), more accurately. It uses both RADKLIM products in order to compare different base resolutions and its effects on the results. Findings add new insights into the importance of identifying good correction factors and also consider the distribution of them instead of using average factors as usually done in practice. The fourth publication studies a new method to extrapolate extreme rainfall to sub-pixel scale via a simple scaling approach, based on 19 years of RADKLIM-RW (hourly and 1 km spatio-temporal resolution) and four regions within Germany of each 256 km x 256 km. Almost smooth power laws were observed when looking at the depth-area-relationships, depending on the considered data length and regions. Closer to the resolution of the radar data (1x1 km²), other influencing factors lead to a shift in rainfall characteristics and thus a bend of the relationship. The two rainfall classes of more convective and more advective characteristics generally had a strong influence on all results of the thesis and are highly dependent on the temporal resolution of the data. The gridded radar QPE data helped to reveal characteristics such as the correlation of small areas with high rain rates (connected to convective pattern) and larger areas with lower rain rates (connected to advective pattern). The analysed radar QPE products are suitable for analysing spatial and temporal rainfall pattern. However, for extreme values, uncertainty remains, since it is not clear if very extreme values are outliers or 'true' observations.Diese kumulative Dissertation umfasst vier begutachtete und veröffentlichte Artikel. Sie wertet drei frei zugängliche Radarkomposite (QPE) des Deutschen Wetterdienstes (DWD) mit unterschiedlichen zeitlichen Auflösungen aus. Die verbesserte Länge und Qualität dieser Produkte ermöglicht eine detaillierte Bewertung vorhandener Niederschlagscharakteristika, die auf Punktmessungen beruhen. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt dabei auf Stark- bis Extremniederschlägen und deren Skalierungseigenschaften. Die erste Veröffentlichung ist eine umfassende Bewertung der raum-zeitlichen Starkregenmuster im Kontext der städtischen Niederschlagsmodifikation. Die Analyse identifiziert den Einfluss der Stadt Berlins auf Starkregenereignisse unter Verwendung des RADOLAN-RW-Produkts. Sechs Kategorien von Niederschlagsmodifikationen wurden identifiziert und neu eingeführte Werkzeuge, wie der Verstärkungsfaktor, halfen bei der Quantifizierung der Veränderungen. Die zweite und dritte Publikationen konzentrieren sich auf die Neubewertung von punktbasierten Erkenntnissen aus der Literatur. Erstere vergleicht Niederschlags-Dauer-Beziehungen auf der Basis von mehr als 400.000 Rasterzellen innerhalb Deutschlands für Dauern von 10 min bis 3 Tagen auf der Grundlage von 16 Jahren RADKLIM-YW (5 min und 1 km räumlich-zeitliche Auflösung) mit einer bekannten globalen Niederschlagsmaximumkurve. Die regionale Kurve in Deutschland zeigte ein 'Drei-Phasen-Regime', das durch die zeitliche Struktur von sehr wenigen extremen Niederschlagsereignissen bestimmt wird. Es wurden drei Gruppen von Kurvencharakteristika für einzelne Gitterzellen identifiziert, die auf den am jeweiligen Standort aufgetretenen Regenfällen basieren. Zweitere zeigt die Bedeutung der Verwendung von gleitenden (M-Maxima) gegenüber festen Niederschlagsmaxima (F-Maxima) und hilft dabei, die probabilistische Natur der Verteilung potenzieller Korrekturfaktoren, in unserem Fall des 'Sampling Adjustment Factor' (SAF), genauer zu beschreiben. Es wurden beide RADKLIM-Produkte verwendet, um verschiedene Basisauflösungen und ihre Auswirkungen auf die Ergebnisse zu vergleichen. Die Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse darüber, wie wichtig es ist, gute Korrekturfaktoren zu ermitteln und auch deren Verteilung zu berücksichtigen, anstatt wie in der Praxis üblich Durchschnittsfaktoren zu verwenden. Die vierte Veröffentlichung untersucht eine neue Methode zur Extrapolation extremer Niederschläge mittels eines einfachen Skalierungsansatzes, basierend auf 19 Jahren RADKLIM-RW (stündliche und 1 km räumlich-zeitliche Auflösung) und vier Regionen in Deutschland mit jeweils 256 km x 256 km. Es wurden nahezu perfekte Potenzgesetze in der Beziehung von Niederschlag und Fläche beobachtet, abhängig von der betrachteten Datenlänge und den Regionen. Nahe an der Auflösung des Radars (1x1 km²) knicken die Beziehungen ab, was auf eine Veränderung der Niederschlagscharakteristika hinweist. Die beiden Niederschlagsklassen mit eher konvektiven und eher advektiven Eigenschaften hatten generell einen starken Einfluss auf alle Ergebnisse der Arbeit und sind stark von der zeitlichen Auflösung der Daten abhängig. Die Radarkomposite halfen dabei, Merkmale wie die Korrelation von kleinen Gebieten mit hohen Niederschlagsmengen (verbunden mit konvektiven Mustern) und größeren Gebieten mit niedrigeren Niederschlagsmengen (verbunden mit advektiven Mustern) aufzuzeigen. Die analysierten Radarkomposite sind für die Analyse räumlicher und zeitlicher Niederschlagsmuster geeignet. Bei Extremwerten bleibt jedoch eine gewisse Unsicherheit, da nicht klar ist, ob es sich bei sehr extremen Werten um Ausreißer oder 'echte' Beobachtungen handelt