Teil 2 -- Kyrill in Satellitenbildern - Update 24. September 2008
Die Entwicklung des Orkantiefs fußt auf einer Teil- oder Randtiefbildung am Okklusionspunkt, engl. secondary cyclogenesis at the triple point.
Diese Randtiefentwicklungen lassen sich anhand der folgenden Faktoren recht gut in den Modellkarten sowie im Satellitenbild nachweisen:
- die Okklusionsfront ist bereits deutlich eingeringelt
- der Tiefdruckkern liegt auf der kalten Seite des Jetstreams im Trogsektor
- die Wolkenobergrenzen der Okklusionsfront sind dadurch abgesunken, das barokline Blatt hingegen weist hingegen noch hochreichende Bewölkung auf
- der linke Jetauszug und Okklusionspunkt fallen zusammen
- der Okklusionspunkt liegt dadurch vor der Trogachse unter starker (differentieller) zyklonaler Vorticityadvektion
- die Dry Intrusion zeigt mit ihrer Vorderkante auf den Okklusionspunkt, ist also nicht eingeringelt
Aus der vorherigen synoptischen Analyse war die Position des Bodentiefs achsensenkrecht zum Höhentief ersichtlich, welche die stationäre Lage von Kyrill 1 bestimmte. Der Okklusionspunkt, an dem Kyrill 2 entstand, lag hingegen klar vorderseitig des Höhentiefs unter PVA sowie näher an der Jetachse, was eine rasche Ostwärtsverlagerung unter Vertiefung des Kerndrucks begünstigte.
IR-Satellitenbilder der Freien Universität Berlin - Chronologie der Entwicklung von "Kyrill [2]"
17. Januar 2007 - 12 UTC
Zum Mittag des 17. Januars dominierte zunächst der Tiefdruckwirbel über der Nordsee das Wettergeschehen in Westeuropa. Stromaufwärts von Irland liegt Kyrill mit einem scharfkantigem baroclinic leaf, das an der Nordseite die typische Wolkengrenze aufweist und nach Süden ausgefranst ist. Das baroclinic leaf manifestiert sich als ein warmes Förderband (warm conveyor belt), das in der mittleren und oberen Troposphäre (600-300hPa) aufsteigt und breitflächig kondensiert. Die Wolkenobergrenzen liegen dadurch recht weit oben - im Gegensatz zur Okklusionsfront, die hier etwas niedrigere Wolkenobergrenzen aufweist. Sie entstand durch ein zweites, warmes Förderband, das bereits in der unteren und mittleren Troposphäre (900-700hPa) nach oben steigt und durch seine Lage kaltseitig der Frontalzone als kaltes Förderband (cold conveyor belt) bezeichnet wird.
Die Okklusionsfront liegt parallel zum frontalen Wolkenband, ist aber nach Westen zurückgebogen (back-bent-occlusion) und leicht eingeringelt. Der Tiefdruckkern befindet sich damit deutlich westlich vom Okklusionspunkt entfernt in einem fast wolkenfreien Bereich des Dryslots, wo stratosphärische Luft stromaufwärts der Trogachse bis in die mittlere und untere Troposphäre absinkt.
Im Vergleich dazu liegt etwa der Kern des Nordseetiefs unmittelbar südwestlich des Okklusionspunktes, die zugehörige Dry Intrusion (DI) erstreckt sich vom Eingang des Ärmelkanals über England bis zur Nordsee.
17. Januar 2007 - 18 UTC
Sechs Stunden später hat sich die DI deutlich intensiviert und einen recht dunklen, wolkenfreien Tiefdruckkern von Kyrill 1 erzeugt. Die Vorderkante der DI reicht bis zum Okklusionspunkt und verläuft rückseitig der Kaltfront. Die Position von Warm- und Kaltfront zueinander zeigt eine typische Warmsektorzyklone mit breitem Warmsektor, der hier durch das warme Förderband hochreichend mit regenschwangeren Wolken bedeckt ist. Bemerkenswert in diesem Stadium der Zyklogenese sind die quer zur Höhenströmung verlaufenden Cirren südlich des baroclinic leaf, die von einer außerordentlich hohen vertikalen Windscherung künden. Die Höhenwinde erreichten hier bereits in 500hPa über 150Kn Mittelwind - ein seltener Wert für diese Region.
18. Januar 2007, 00 UTC
Nach Mitternacht findet der Abspaltungsprozess von Kyrill 2 von Kyrill 1 statt. Die Kaltfront zeichnet sich durch ein schmales, hochreichendes, aber unterbrochenes Wolkenband ab, während die Warmfront weiterhin an einen hochreichend kompakten Wolkenschirm gebunden ist. Der Dryslot reicht von Tiefdruckkern von Kyrill 1 bis kurz vor den Okklusionspunkt. Kyrill 1 ist bereits deutlich eingeringelt, jedoch schon in der Abschwächungsphase, was mit der Reanalysis durch die Modellkarten übereinstimmt (Position knapp rückseitig der Trogachse).
Die Okklusionsfront weist westlich des Okklusionspunkt eine weitere, schwach zyklonale Krümmung auf, sodass hierdurch die Position des zweiten Tiefdruckkerns analysiert werden kann. Die 10min-Windkarten untermauern diese Analyse.
18. Januar 2007, 06 UTC
Zwischen Mitternacht und frühem Morgen vollzieht sich eine entscheidende Entwicklung hinsichtlich der weiteren Verlagerung des Systems, der Kaltfrontaktivität und der Spitzenböen im Warmsektor des Orkans. Der Reihe nach....
...das alte Bodentief trennt sich mit seiner Okklusionsfront immer mehr vom neuen Bodentief über der irischen See ab. Der Vergleich mit der Position vor sechs Stunden lässt keine Zweifel zu, dass es sich jetzt um zwei Tiefdruckwirbel handelt. Wenn man die Ausdehnung von Kyrill 2 betrachtet, dann mag man sich über dessen Größe im Verhältnis zur gesamten Wolkenmasse wundern. Weite Teile des Warmsektors und südlich davon sind Ergebnis eines massiven warmen Förderbandes, das auch für die kräftigen und ergiebigen Regenfälle mit bis zu über 50mm in 24h verantwortlich war.Das eigentliche Orkantief nimmt nur verhältnismäßig wenig Platz ein und die neue Okklusionsfront ist schmaler, kürzer und rascher eingeringelt als die erste Okklusionsfront.
Im Kernbereich der Zyklone bzw. südlich davon addieren sich die starke Relativströmung (Höhenströmung) und die Rotationsgeschwindigkeit der Zyklone selbst. Daraus resultiert das Starkwindfeld südseitig des Tiefdruckkerns im Warmsektor, wo die 850hPa-Winde verbreitet bei 70-80Kn, teilweise bei 90Kn lagen. Das Starkwindfeld war aber zugleich an die Kaltfront gekoppelt, sodass bei konvektiven Niederschlägen mit Orkanböen über 130km/h selbst im Flachland gerechnet werden konnte.
In der zweiten Nachthälfte überströmte die trockene Stratosphärenluft des Dryslots die feuchtwärmeren Luftmassen in der unteren und mittleren Troposphäre an der Kaltfront. Deren Wolkenobergrenzen (cloud tops) sanken dadurch deutlich ab. Resultat dieser Entwicklung war erhebliche potentielle Instabilität, die durch die Hebung auf der Trogvorderseite freigesetzt wurde und entlang der Kaltfront kräftige Schauer und Gewitter erzeugte. Zu dieser Entwicklung später mehr im dritten Teil der Analyse.
18. Januar 2007, 12 UTC
Zum Mittag des 18. Januars 2007 wirkt die Ausdehnung des Orkanstiefs winzig im Vergleich zum mächtigen Wolkenschild des warmen Förderbandes. Die Kaltfront überquert nun Südengland und London mit Orkanböen, kurze Zeit später treten über der südlichen Nordsee die ersten Gewitter an der Kaltfront auf. Das Überströmen der Kaltfront reicht bis weit in den Warmsektor des Orkans. Auffällig hier auch die schmale wolkenfreie Zone vor der Kaltfront entlang der Küsten.
18. Januar 2007, 19 UTC
Zum frühen Abend hin erreicht der Orkan seinen Höhepunkt, was die Kaltfrontaktivität über Mitteleuropa betrifft. Der Kern des Tiefs liegt nun über der westlichen Ostsee. Entlang der Kaltfront bilden sich konvexe Strukturen an der Vorderkante, aber auch an der Rückseite aus, die in Zusammenhang mit einem Linienechowellenmuster (Line Echo Wave Pattern) stehen. Rückseitig der Kaltfront folgt eine kurze postfrontale Subsidenzzone nach, ehe von der Nordsee eine Troglinie mit kräftigen Schauern und erneuten Orkanböen nachfolgte.
An der Südwestkante der Kaltfront nahm dessen Intensität ab und ging z.T. in skalige Regenfälle in Verbindung mit einer einsetzenden Wellenbildung über, die von der Warmluftadvektion stromaufwärts verursacht wurde. Der Verlauf des stark gekrümmten Jetstreams zeichnet sich gut durch die schmalen Cirrenbänder ("Jetfibres") ab. Bei gekrümmten Jets sind die linken Jetauszüge mitunter verschoben bzw. liegt der gesamte Auszugsbereich dann unter Diffluenz mit Aufwärtsbewegungen. Hebungsfördernd war hier jedoch nicht vorrangig die Jetkonfiguration, sondern die starke Krümmung vor der Trogachse, sodass die Kaltfront auch im Satellitenbild über Ostdeutschland seine stärkste Ausprägung erfuhr.
19. Januar 2007, 00 UTC
Gegen Mitternacht hat die Kaltfront Deutschland fast vollständig überquert und nun Nord- und Ostösterreich erreicht. Auch dort treten mit Kaltfrontdurchgang besonders im Waldviertel Orkanböen auf. Dahinter beruhigt sich die Atmosphäre vorübergehend, weitere Schauer gekoppelt an die Troglinie folgen über Norddeutschland nach. Weite Teile Südwest- und Süddeutschlands liegen im Einflussbereich einer schwachen Welle, die von Nordwesten hereinschwenkt. Die starke nordwestliche Anströmung verursacht Staubewölkung entlang der Alpennordseite - im Inntal westlich von Innsbruck bricht kurze Zeit später der Nordföhn durch, südlich des Alpenhauptkamms ist er bereits voll durchgebrochen und hat besonders über der Poebene zur Wolkenauflösung geführt.
19. Januar 2007, 06 UTC
Am Freitag Vormittag, den 19. Januar, liegt die Kaltfront über Südosteuropa. Der Orkan schwächt sich nur langsam ab und dreht allmählich nach Nordosten ab. Die nachfolgende Welle führt über West- und Süddeutschland zu teils ergiebigen Regenfällen, der Nordföhn in Norditalien treibt die Höchstwerte dort auf sommerliche 25-27°C. In Innsbruck bricht der Nordföhn drei Stunden später durch und lässt Höchstwerte von über 16°C erreichen, die jene während der vorherigen Südföhnperiode noch überbieten. Die gefürchteten Orkanböen im Inntal bleiben jedoch aus.
Stromaufwärts westlich von Irland deutet sich eine weitere Sturmtiefentwicklung an der ehemaligen Kaltfront von Kyrill 1 an, die später zu Sturmtief Lancelot und erneuten schweren bis orkanartigen Sturmböen besonders nördlich einer Linie Hunsrück-Erzgebirge führt.
Zum Abschluss noch zwei Satellitenbilder von Dundee bzw. NOAA, die das Orkantief in einer höheren Auflösung zeigen:
18. Januar 2007 - 12 UTC - DUNDEE
Das visuelle Satellitenbild von EUMETSAT zeigt das Orkantief mit Kern über der Nordsee. Die Okklusionsfront ist an der Ostküste Englands eingeringelt. Die Warmfront verläuft über Dänemark und die Ostsee stromabwärts. Die Kaltfront geht von der südlichen Nordsee bis nach Südengland. Sie ist hochreichend konvektiv geprägt, ein exemplarischer Ausdruck der großen Mengen latenter Wärme, die durch die Hebung freigesetzt wurden. Weiter südlich sind die Wolkenobergrenzen deutlich höher - hier regnet es im Bereich des warmen Förderbandes kräftig. Die Kaltfront hingegen wurde bereits vollständig von der DI überströmt - wie bereits erwähnt reichte dieses Überströmen bis weit in den Warmsektor hinein. Rückseitig der Kaltfront löste die Stratosphärenluft die Wolken vollständig auf.
18. Januar 2007 - 16 UTC - NOAA
Das IR-Satellitenbild von NOAA wurde am Nachmittag in viertelstündigem Überflug aufgenommen. Der eingerahmte Bereich ist vollständig von der DI geflutet. Die Kaltfront zeigt markante, aneinandergereihte Wabenstrukturen, die eine Nordwest-Südostachse aufweisen, was koinzidient zur Höhenströmung ist. Jede dieser "Wabenzellen" brachte Starkniederschläge, Hagel und Microbursts hervor.
Weiter südlich ging es wesentlich ruhiger zu, auch wenn es dennoch verbreitet schwere bis orkanartige Sturmböen und einzelne Orkanböen gab. Sie erreichten jedoch die flächige Intensität der Kaltfront niemals und die Waldschäden hielten sich somit vor allem in Süddeutschland weitgehend in Grenzen.
Hinsichtlich der Ursache der gerippten Wabenstrukturen kommen mit großer Wahrscheinlichkeit Schwerewellen in Frage. Hierzu gibt es verschiedene Entstehungstheorien. Hoskins und Bretherton entwarfen 1972 die Theorie, dass nichtgeostrophische und nicht hydrostatische Beschleunigungen in der Region mit zunehmenden Temperaturgradienten Schwerewellen erzeugen, deren Amplituden in großer Distanz zur Front vergleichbar mit Schwingungen im Bodendruckfeld vor Fronten sind.
Daneben gibt es auch die Theorie, dass stehende Wellen unter der Front durch Brechen in der Höhe wandernde Schwerewellen erzeugen. Die besagten Theorien sowie meine daraus resultierende Interpretationen basieren auf einem Artikel namens Gravity waves generated during frontogenesis (Gall, Williams, Clark, 1988) im Journal of Atmospheric Sciences [16 Seiten, pdf].
Da die Schwerewellen sich erst dann entwickelt haben, als die stärkste konvektive Aktivität an der Kaltfront stattfand, könnte die hochreichende Feuchtkonvektion als Hauptursache herangezogen werden. Die Wellen entstanden im linken Jetauszug und damit unter starker synoptikskaliger Aufwärtsbewegung. Diese führte in Verbindung mit der kräftigen vertikalen Windscherung, die als nichthydrostatische vertikale Beschleunigung angesehen werden kann, der vorhandenen Feuchte und Labilität zu hochreichenden Gewittern zu mesokaligen Aufwindtürmen. Als Folge des gestörten geostrophischen und hydrostatischen Gleichgewichts im Frontbereich - vorwiegend im linken Jetauszug - entwickelten sich Schwerewellen entlang der Kaltfront parallel zur Höhenströmung, aber normal zur Achse der Kaltluftadvektion.
Leider habe ich bisher noch keine Artikel über den möglichen direkten Zusammenhang zwischen Konvektion an der Kaltfront und Schwerewellen gefunden. Bis man dahin ist eine direkte Korrelation wie oben ausgesagt eher als Hypothese anzusehen. Bis zu einer Verifikation besteht mit Sicherheit zumindest ein Zusammenhang zwischen der starken Instabilität sowie der extremen, vertikalen Windscherung im linken Jetauszug und der genau dort sich entwickelnden Schwerewellen. Hierzu ein weiterer Artikel aus dem Journal der Atmosphärenwissenschaften : Generation of mesoscale gravity waves in the upper-tropospheric jet-front-systems (Wang und Zhang) , [19 Seiten, pdf]. Jedoch wird auch dort nicht näher auf die Rolle hochreichender Feuchtkonvektion bei der Schwerewellenbildung eingegangen.