Teil 3 -- Eine sommerliche Kaltfront
Warum gerade bei dieser Orkanzyklone schwere konvektive Unwetter mit immensen Waldschäden auftraten, soll in diesem dritten Teil über Orkan Kyrill näher untersucht werden.
Hochreichende Feuchtkonvektion ist Folge der drei gleichzeitig vorhandenen Zutaten Feuchte, Labilität und Hebung. Feuchteadvektion war durch die nordwestliche Anströmung über den Atlantik und später die Nordsee reichlich gegeben. Hebung ergab sich aus der Lage der Kaltfront vor der Trogachse und im linken Jetauszug:
Die 300hPa-Analysekarte zeigt für Donnerstag,18. Januar 18z, einen stark gekrümmten, extremen Jetstreak mit bis zu 190Kn Mittelwind in der Spitze. Der stark diffluente Jetausgang liegt dabei über Deutschland, mit dem linken Auszug über Nord- und Ostdeutschland, wo die Kaltfront die größte konvektive Aktivität gezeigt hat.
Die Dry Intrusion (DI) brachte zusätzlich hohe Werte isentroper potentieller Vorticity in die Zyklogenese ein, die bei Verringerung der Schichtstabilität durch die Hebung zu einer Zunahme der absoluten Vorticity führte. Die fehlende Labilität wurde durch die DI erzeugt, dessen trockene Stratosphärenluft die feuchtwarmen Luftmassen am Boden überlagerte und potentielle Instabilität hervorbrachte.
Als erstes Fazit waren alle Voraussetzungen für hochreichende Feuchtkonvektion gegeben. Jedoch kam noch ein vierter Faktor hinzu - die Windscherung. Sie bewirkte, dass die Gewitter stark in Zugrichtung geschert waren, vorwiegend in der unteren Troposphäre, und dass die hohen Mittelwinde in 850hPa (70-90Kn) bis zum Boden herabtransportiert wurden. Zudem entwickelten sich als Folge der starken Windscherung auch Tornados, wobei derzeit noch ungeklärt ist, ob es sich dabei um klassische mesozyklonale Tornados oder um nichtmesozyklonale Tornados als Folge von Scherungsinstabilitäten an der Vorderkante der Böenfrontlinie (engl. Squall line) handelte.
Die Rückschau der Kaltfront soll in zwei Teile gegliedert werden - zunächst beschreibe ich mit Hilfe der Lightningwizardcharts von Oscar van der Velde, welche ich vom Donnerstag, 18. Januar 2007, 6z-Lauf abgespeichert habe, die mögliche Unwetterprognose, die sich auf der Basis dieses Modelllaufes für die Kaltfront abschätzen ließ. Dann gehe ich mit Composit-Satellitenbildern von EUMETSAT sowie IR-Satellitenbildern von der FU Berlin auf den Ablauf der Kaltfront ein. Weiterführend sollen Blitzkarten und auch Radarbilder den genauen Ablauf der Kaltfrontentwicklung verdeutlichen.
Vorab - Erklärungen zu den Karten 2, 4-8, sind hier auf deutsch verfügbar. Grundsätzlich gibt es bei der Prognose von Gewittern zwei Verfahren. Einmal über die Verwendung von Indizes, das andere Mal über die Betrachtung der oben genannten Zutaten. Das zweite Verfahren ist allgemein das vernünftigere, da man die Wetterlage synoptisch und mesoskalig erfassen muss, während man sich bei Indizes allzu schnell auf bloße Zahlenwerte verlässt, die mitunter noch aus mehreren Variablen bestehen, die sich bei (überraschender) Änderung der Wetterlage ebenfalls verändern können.
Karte 1 - Thompson-Index
Der Thompson-Index errechnete sich aus der Differenz des K-Index und des Lifted-Index. Er beschreibt grob die vertikale Schichtungsstabilität durch das Verhältnis von Feuchte und Temperaturabnahme in der mittleren Troposphäre und unteren Troposphäre. Gemeinsam (!) mit den folgenden Karten handelt es sich um einen guten Index, um die Wahrscheinlichkeit von Gewittern vorherzusagen.
In der oben stehenden Karte ist der Thompson-Index für die drei Termine Donnerstag, 18. Januar, 15z, 18z und 21z geplottet. Sie zeigen mit Durchgang der Kaltfront ein starkes Signal besonders über Nord- und Ostdeutschland sowie eine starke Abschwächung mit Südostwärtsverlagerung der Kaltfront nach 18z. Gewitter waren also nach dieser Karte im genannten Gebiet sehr wahrscheinlich.
Karte 2 - Equilibrium Temperaturen
Voraussetzungen für das Plotten der EL-Temperaturen ist die Existenz von CAPE, also potentieller Labilität. Ab unter -10°C sind allgemein Schauer und Gewitter möglich.
Die gerechneten EL-Temperaturen sinken mit Fortschreiten der Kaltfront weiter ab und erreichen -30°C zum 18z-Termin und bis zu -40°C über Polen. Die damit verbundene sukzessive Abkühlung der Wolkenobergrenzen lässt auf weit hochreichende Feuchtkonvektion mit größeren Labilitätsflächen schließen. Würde es sich dabei um sehr tiefreichende Höhenkaltluft handeln, wie sie beim Vorstoß arktischer Kaltluft mit -40°C in 500hPa auftritt, so wäre die CAPE-Fläche eher breit.
Wie man aber anhand der Reanalysiskarten im ersten Teil der Analyse sehen konnte, handelte es sich im Höhenkaltluft im Bereich von -25 bis -30°C und einem verhältnismäßig hohen Geopotential. Die EL-Temperaturen sind folglich eher in der oberen Troposphäre angesiedelt und die CAPE-Fläche schmal, aber hochreichend.
Als Schlussfolgerung kann man aufgrund der EL-Temperaturen von sehr hochreichender Feuchtkonvektion ausgehen, die damit einen sommerlichen Charakter annehmen.
Karte 3 - 0-2km Feuchteeinfluss
Die 0-2km Moisture Influx-Karten, hier farblich geplottet, zeigen grob die Menge der Feuchte an, welche den untersten 2km (ca. die Obergrenze der konvektiven Grenzschicht) der Feuchtkonvektion zur Verfügung steht. Sie wird nur dargestellt, wenn eine bestimmte Labilität der vertikalen Schichtung gegeben ist. Je höher die Werte, umso besser das Angebot an Feuchte für ein Gewitter.
Die Karten zeigen über weiten Teilen Norddeutschlands mit südostwärts fortschreitender Kaltfront günstige Werte bis zu 80g/s/m². Die Werte sind geschlossen erhöht, also entlang der Kaltfront bis mindestens Thüringer Wald. Dies deckt sich auch mit den Beobachtungen von Gewittern in der Verifikation.
Karte 4 - 2-4km Temperaturabnahmen
Je stärker die Temperaturabnahme zwischen 2 und 4km, umso trockener ist diese Schicht. Ist die darunterliegende Schicht gleichzeitig feuchter, so kann potentielle Instabilität aufgebaut werden und bei synoptischskaliger Hebung freigesetzt werden.
Die Karte zeigt für den Abendtermin einen hufeisenartigen Schwaden etwas trockenerer Luft über Nord- und Ostdeutschland bis nach Westpolen. Die Region deckt sich in etwa mit dem Verlauf von Okklusions- und Kaltfront.
Karte 5 - Temperaturabnahme zwischen Boden und 500m AGL
Die zugehörige Temperaturabnahme für die unterste Schicht über dem Boden zeigt eher schwache Abnahmen im Bereich von 4-5K, was auf eine verhältnismäßig feuchte Schichtung hinweist. Gemeinsam mit den Moisture-Influx-Karten kann man also von einer recht feuchten unteren Schicht ausgehen, die von einer etwas trockeneren Schicht in der Höhe überlagert wird. Die Voraussetzungen für potentielle Instabilität waren demnach gegeben.
Karten 1 bis 4 unterstreichen damit die Existenz der notwendigen Zutaten von Labilität und Feuchte bei ohnehin gegebenen intensiven Hebungsvorgängen in Zusammenhang mit der durchgehenden Trogachse, dem linken Jetauszug und dem frontogenetischen Antrieb der Kaltfront selbst, die sich als thermisch direkte Zirkulation (aufsteigende Warmluft vor der Kaltfront, Bildung eines Kälteteichs im Niederschlagsbereich) manifestierte.
Die weiteren Karten befassen sich mit der vertikalen Windscherung und der potentiellen Gefährdung durch Downbursts und Tornados:
Karte 6 - 0-3km Storm-relative Helicity
Die Helizität ist ein Maß für das Potential von Superzellen und trägt die Einheit [m²/s²]. Sie beschreibt das Verhältnis der in ein Gewitter einströmenden Luft zu dessen Verlagerungsrichtung, ab etwa 150m²/s² ist die Gefahr von Mesozyklonen gegeben, ab 300 m²/s² können starke Tornados auftreten. Diese Werte sind allerdings jedoch bloße Richtwerte - eine entsprechende Bandbreite ist vorhanden und zu berücksichtigen. Bei rein vorhander Geschwindigkeitsscherung kann Helizität von der Mesozyklone "gesammelt" werden, wenn sie von der mittleren Führungsrichtung ausschert.
Zum 18z-Termin zeigt die Karte extreme Helizität im Bereich von verbreitet über 400m²/s², in der Spitze bis zu 700m²/s². Wichtig ist die Lage der stärksten Helizität im Verhältnis zur Position der Kaltfront in der Modellprognose für 18z. Anhand der obigen Karten erkennt man, dass die Kaltfront bzw. die Bereiche erhöhter potentieller Instabilität und Feuchtezufluss vor der rückseitigen Kante des Helizitätsfeldes liegen, d.h. Scherfelder und Front zusammenfallen. Hinter der Front geht die Scherung vorübergehend zurück, ehe sie mit der Troglinie über den Niederlanden und Niedersachsen erneut zunimmt.
Karte 7 - 0-6km Scherung (schwarz), 0-1km Scherung (farbig)
Die vertikale Windscherung für 18z ist am oberen Anschlag der Skala. Die 0-1km Scherung ("Low-Level-Shear, LLS") erreicht verbreitet 40-50Kn über ganz Deutschland, besonders markant im Bereich der Kaltfront (schwarze Fläche) sowie entlang der Alpen im Warmsektor ("barrier jet"). Die 0-6km Scherung ("Deep-layer shear, DLS") erreicht über Norddeutschland nur 20-40Kn, da nahe am Kernbereich der Zyklone gelegen. Weiter südwärts steigt sie rasch auf bis zu 70Kn, im Westen bis auf über 100Kn an. Im Bereich der Kaltfront liegen sie bei 30-70Kn (15-35m/s).
Das Verhältnis von LLS und DLS lässt folgende Aussage zu: Besonders in den unteren Schichten herrschte allgemein ein sehr starker Höhenwind, als Low-Level-Jet, während die Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe verhältnismäßig gering war - nur ganz im Westen wurden extreme 100Kn hochreichender Scherung erreicht. Eine starke, niedertroposphärische Strömung begünstigt allgemein die Entstehung von Bogenechos mit erhöhtem Potential für kräftige, geradlinige Winde ("Downbursts").
Karte 8 - Downburstpotential
Die Karte zeigt farbig die zu erwartenden, konvektiven Böen bei vertikalem Impulsfluss. Sie liegen verbreitet bei 70Kn Minimum bis zu über 90Kn Maximum, auch im Bereich der Kaltfront. Dies deckt sich gut mit den beobachteten Böen von 80Kn in Düsseldorf und Berlin, 75Kn in Magdeburg, Braunschweig und den schweren Waldschäden bis hin zu T4 (um 200km/h, ca. 110Kn), die etwa im Erzgebirge registriert wurden.
Fazit:
Die Hauptgefährdung mit Durchzug der Kaltfront bestand in schweren Gewittern mit vorwiegend geradlinigen Windereignissen, deren Spitzenböen bis zu 170km/h, teilweise auch über 200km/h erreichen konnten. Ein gewisses Tornadorisiko konnte wegen der extremen vertikalen Windscherung nicht ausgeschlossen werden. Aufgrund der raschen Südostwärtsverlagerung der Kaltfront war eine lokale Vorhersage kurzlebiger Mesozyklonen aber beinahe unmöglich.Die Estofex-Prognose für jenen Tag lautete letzendlich so.
Im zweiten Teil soll die tatsächliche Entwicklung durch Satellitenbilder von EUMETSAT und der FU Berlin beschrieben werden.
Verwendet wird hier ein farbiges RGB-Composit von EUMETSAT, welches die Luftmassen verschiedener Höhe anzeigt. Pinke Farben bedeuten dabei Luft aus der Stratosphäre bzw. oberen Troposphäre, bräunliche Farben der mittleren Troposphäre. Je heller die Bewölkung, desto hochreichender ist sie.
Das Satellitenbild am 18. Januar 2007, 10 UTC, zeigt den Kern der Zyklone über Ostengland. Die Okklusionsfront liegt bereits kaltseitig der Jetachse, sodass deren Wolkenobergrenzen im Vergleich zum Warmsektor bzw. dem warmen Förderband deutlich abgesunken sind. Quer über England schließt die Kaltfront als seichte, relativ kompakte Linie an. Sie wird vollständig von trockener Stratosphärenluft überlagert, die bis in die mittlere Troposphäre absinkt und dadurch die Wolkenobergrenzentemperaturen erwärmt. Gleichzeitig aber führt diese Dry Intrusion zur Bildung potentieller Instabilität, da die untere Troposphäre mit Feuchte angereichert ist. Noch überwiegt die Erwärmung der Wolkentops - Gewitter treten bis dahin noch keine auf - stattdessen bilden sich seichte Schauer, die aber dennoch schwere Windböen in Orkanstärke über England hervorrufen.
Am Nachmittag um 16 UTC liegt der Kern über dem Kattegat, mit deutlich einspiralisierter Okklusionsfront. Das warme Förderband hat sich von der Kaltfront entfernt, welche deutlich an Intensität zugenommen hat. Die Wolkenobergrenzen sind angestiegen, da sich die Dry Intrusion auf höhere Troposphärenschichten beschränkt. Da sie die Kaltfront weiterhin überrennt, bleibt es bei hoher potentieller Instabilität, die durch den Hebungsantrieb auch freigesetzt wurde. Die Kaltfront selbst weist zunehmend ein "Wabenmuster" auf, deren einzelne Wabenzellen nach der Höhenströmung orientiert sind. Rückseitig der Kaltfront setzt die typische postfrontale Subsidenz ein, nachfolgend bildet sich bereits eine Troglinie an der Nordseeküste.
Das wohl spektakulärste Satellitenbild um 18 UTC zeigt eine massive Kaltfront von Südschweden bis in die Mitte Deutschlands reichend. Ihre Ausdehnung nimmt wie ein Keil von Südwest nach Nordost zu, was sowohl mit dem stärksten Hebungsantrieb im Nordosten als auch dem zugehörigen Höhentrog zusammenhängt, der hier die kälteste Höhenkaltluft durchschwenken lässt. Sowohl an Vorder- als auch Rückkante der Kaltfronten zeigen sich konvexe Ausstülpungen, die von dem starken LLJ herrühren. Die Absinkzone rückseitig der Kaltfront kristallisiert sich hier ebenfalls gut heraus, ebenso wie die nachfolgende Troglinie mit verstreuten, breitflächigen Multizellen.
Als maßgeblichen Grund für die drastische Verstärkung der Kaltfront mit ab 14 UTC eingebetteten Gewittern kann die vertikale Lage der Dry Intrusion herangezogen werden. Zunächst reicht das Absinken stratosphärischer Luft bis in mittlere Höhen und verhindert durch das entsprechende Absinken der Tropopausenhöhe hochreichendere Feuchtkonvektion über etwa 500hPa hinaus. Im weiteren Verlauf aber zieht sich die Stratosphärenluft in höhere Troposphärenschichten (ca. 350hPa) zurück, sodass die Wolkenobergrenzen ansteigen können.
Folgende IR-Einzelbilder der FU Berlin zeigen die chronologische Entwicklung der Kaltfront im Seegebiet vor Irland bis zum Höhepunkt am Abend über dem östlichen Mitteleuropa:
Am 18. Januar 2007 um 1 UTC kristallisiert sich erstmals das Unwetterpotential der Kaltfront heraus, da zu diesem Zeitpunkt die rückseitige Dry Intrusion die Kaltfront überrennt und deren Obergrenzen absenkt. Im weiteren Verlauf wird die Diskrepanz der Wolkenobergrenzen von der Kaltfront zum warmen Förderband und der Okklusionsfront mit der herumgeführten Warmluftzunge immer deutlicher. In den frühen Morgenstunden wird das Bild undeutlicher. Zwar ist die Kaltfront weiterhin vorhanden, aber kaum organisiert. Erst gegen 11 UTC beginnt sich die Kaltfront erneut als scharfkante Linie zu formieren. Am Nachmittag wird der Liniencharakter immer deutlicher, ebenso die postfrontale Subsidenzzone. Am frühen Abend erreicht die Kaltfront ihre beeindruckendste Ausprägung mit den erwähnten wabenförmigen Zellkomplexen, die wie an einer Perlenkette aneinandergereiht sind.
Die Südostwärtsverlagerung der Gewitter in Zusammenhang mit den Gewittern ist sehr schön anhand der registrierten Blitze der beiden Tage erkennbar. Die Gewittertätigkeit begann zwischen 13 und 14 UTC am Ausgang des Ärmelkanals und verstärkte sich rasch auf dem Festland. Der Faktor der diabatischen Erwärmung durch Einstrahlung ist hier allerdings nahezu zu vernachlässigen, da die gewittrige Böenfrontlinie in ein skaliges Regengebiet an der Kaltfront eingebettet war. Am späten Abend griffen die Gewitter auf Polen, Tschechien und Slowakei über. Bis 2 UTC erreichten die Gewitter noch den äußersten Norden Österreichs, wo im Waldviertel ebenfalls schwere Waldschäden entstanden. Danach hörte die Gewittertätigkeit auf - der Höhentrog verlagerte sich rasch ostwärts, während die Kaltfront aus dem Bereich des Hebungsantriebes herauslief.
Das wohl repräsentativste Sounding für die Kaltfront stammt von 18 UTC von Lindenberg, östlich von Berlin:
Es zeigt extreme vertikale Windscherung mit 30Kn in Bodenniveau und 80Kn in 850hPa, dessen Fläche hier auf 1160m abgesunken ist. In etwa 750hPa sind es fast 100Kn. Mit dem zunehmenden Hebungsantrieb konnte Labilität bis etwa 350hPa Höhe freigesetzt werden, dies entspricht eher sommerlichen Bedingungen für hochreichende Feuchtkonvektion. Das Windmaximum, das sich auf die untere Troposphäre beschränkt, verursachte die beobachteten bogenförmigen Segmente bei der Kaltfrontpassage:
Quelle : Wetterspiegel bzw. Marco Puckerts Kyrillanalyse
Etwas detaillierter:
In der niederen Troposphäre waren die Winde viel stärker als in der mittleren und oberen Troposphäre. Als Folge sind die konvektiven Zellverbände mit der Höhe zwar nach vorne geneigt, jedoch im unteren Bereich noch stärker nach vorne ausgestülpt. Der ausgeprägte Low-Level-Jet führte zur Verdunstungskühlung und damit zur Beschleunigung der Abwinde. Da die Schichtung hochreichend feucht war, war dieser Effekt geringer als bei eher trockenen konvektiven Grenzschichten, wie man sie im Sommer gerade in dieser Region findet. Jedoch wurde dies hier durch den Herabtransport der extremen Höhenwinde kompensiert. Mit fortschreitender Böenfrontlinie wird der Abwind langsam dominant und die Intensität schwächt sich allmählich ab, bis der Niederschlag skaligen Charakter annimmt, wie man ihn von mesoskaligen konvektiven Systemen her kennt.
Gewitterlinien, die derartige Bogenechos aneinandergereiht beinhalten, bezeichnet man auch als Line Echo Wave Pattern (LEWP) (Lineare Echowellenstruktur). Sie beinhalten die Gefahr von großem Hagel, schweren Fallböen und Tornados. Zahlreiche Verdachtsfälle in Thomas Säverts Tornadoliste und bereits drei bestätigte Tornadofälle im F3-Bereich (Lauchhammer, Brachwitz/Kemnitz, Wittenberg) sowie zahlreiche Waldschäden mit T3+-Schäden belegen den Unwettercharakter der durchziehenden LEWP besonders in Ostdeutschland. Mehr zur Entstehung von Tornados an Böenfrontlinien in meinem englischsprachigen Artikel "Classes of Tornadoes" in Kapitel 2.3 und 3.3. Wegen der extrem kurzlebigen Zellen an der Kaltfront ist eine Identifizierung von (tornadischen) Mesozyklonen kaum mehr machbar. Ich hoffe, in der noch folgenden Radaranalyse darüber mehr Aufschluss geben zu können.
Interessanterweise wurden die stärksten Böen vor und während der ersten Minuten der Frontpassage beobachtet, danach ließ der Wind ruckartig nach. Ursache war vermutlich die starke Abkühlung mit den einsetzenden Niederschlägen sowie Hagel/Graupel, welche zur Bildung eines vorübergehenden Kaltluftsees führten. Dieser entkoppelte die Höhenwinde vom Boden. Mit den nach der Frontpassage wieder steigenden Temperaturen bei gleichzeitigem Temperaturrückgang mit dem durchgehenden Höhentrog nahm die Labilität wieder zu und der Kaltluftsee wurde beseitigt. Im Anschluss frischte auch der Wind wieder stürmisch auf, mit erneuten Orkanböen bei Schauern im Trogsektor.(Quelle dieser Erklärung : Matthias Kirsch aus Dresden - Wetterzentrale 18.01.2007)
Eine ausführliche Darstellung zur Gewitterlage während Kyrill kann einer Präsentation von Christoph Gatzen (Estofex-Mitglied) entnommen werden, die während der Unwetterkonferenz in Trieste, Italien, am 10.-14.September 2007, gehalten wurde.