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Synoptische Fallstudie einer Superzelle in Sachsen am 23. August 2007

1. Einleitung

Am 23. August 2007 beinflusste eine schwere Superzelle weite Teile des sächsischen Berglands mit intensiven Sturzfluten, großen Hagel bis zu 8cm und schweren Windböen. Die Superzelle entstand zwischen Plauen und Zwickau in Westsachsen gegen 9.30-9.45 UTC. Kurze Zeit Später wurde das Gewitter rasch stärker und erreichte bald sehr hohe Reflektivitäten im Radar (über 55 dBZ im bodennahen Dopplerradarbild). Die sich entwickelnde niederschlagsreiche Superzelle zog nordostwärts weiter, während die steuernde Strömung der restlichen Gewitterzellen nach Norden bzw. Nordnordwesten gerichtet war. Als Folge konnte ein ausgeprägtes Ausscheren nach rechts beobachtet werden, was auf eine mögliche Mesozyklone hinwies. Die Gesamtdauer des Gewitters, welches an Dresden gegen 12.10 UTC vorbeifegte, betrug ungefähr fünf Stunden - von Westsachsen bis nach Westpolen. Sein Weg war beständig durch ein Rechtsausscheren mit 45-90° Abweichung von der steuernden Strömung gekennzeichnet sowie durch zahlreiche Großhagel- und Sturzflutereignisse. Entsprechende Dopplerwindbilder (nicht gezeigt) zeigen um 11.35 UTC eine starke Dipolstruktur, das zugehörige bodennahe Radarbild wies eine klassische bis niederschlagsreiche Superzellenstruktur auf, mit einem deutlich ausgeprägten Hakenecho. Die maximale Reflektivität in den Radarbildern erreichte über 65 dBZ.

2. Welche Bedingungen begünstigen Superzellen?

Während sich gewöhnliche Gewitterzellen bilden können, wenn Feuchte, Labilität und Hebung vorhanden sind, benötigen Superzellen in der Regel eine weitere Zutat, die Windscherung. Eine starke Rechtsdrehung und Zunahme des Windes mit der Höhe ermöglicht den Aufbau von Helizität relativ zum Gewitter, die durch das Einströmen in das Gewitter gelangen kann. Durch starke hochreichende Windscherung in der Größenordnung von zumindest 10-20 m/s wird die Trennung von Auf- und Abwinden ermöglicht, und folglich langlebige Gewitterzellen. Falls genügend Helizität relativ zum Gewitter vorhanden ist, kann das Gewitter einen rotierenden Aufwindbereich entwickeln, indem die vorherrschende horizontale Wirbelgröße der Umgebung (!) in vertikale Wirbelgröße gekippt wird. Daraus resultiert eine Mesozyklone in mittleren Höhen. Ist zudem starke bodennahe Scherung vorhanden, dann kann sich eine bodennahe Mesozyklone bzw. ein Tornado entwickeln. ( Der vollständige Prozess von sich entwickelnden Mesozyklonen und Tornados geht jedoch über das Ziel dieser Studie hinaus. Ich verweise auf Estofex.org wo zahlreiche Fachartikel über die exakten Mechanismen entnommen werden können, z.B. von Johannes Dahl, Superzellen - ihre Dynamik und Vorhersage. Diplomarbeit (2006)).

Es gibt ein umfangreiches Handbuch zur Vorhersage von konvektiven Unwettern namens "IC 5.7 Convective Storm Structure and Evolution - presented by the Warning Decision Training Branch, Version: 308.2". Dort werden Schwellenwerte für niederschlagsreiche Superzellen mit unter 18 m/s und mit über 30 m/s für niederschlagsarme Superzellen genannt. Höhenwinde geringer als 18 m/s begünstigen die Rückführung von Niederschlagsteilchen in den Hauptaufwindbereich und deren beträchtliches Anwachsen, wohingegen Winde über 30 m/s die Hydrometeore aus dem Hauptaufwindbereich wehen lassen (was vielleicht zu einzelnen, großen Hagelsteinen führt, die in der sonst regenfreien Region des Gewitters niedergehen). Es sollte allerdings hervorgehoben werden, dass das strenge Befolgen von Schwellenwerten nicht der Weg ist, den ein Vorhersager beschreiten sollte, wenn er die Eigenschaften von Superzellen voraussagen will.

Im folgenden Kapitel wird überprüft, ob die synoptisch- und mesoskaligen Bedingungen für niederschlagsreiche Superzellen ausreichend waren.

3. Synoptische Umgebung der Superzelle

Folgende Reanalysiskarten stammen von wetter3.de und erscheinen für die groß- und mesoskalige Umgebung des Gewitters repräsentativ.

Abb.1 500mb Geopotential (gpdm), Temperatur (°C) am Donnerstag, 23-08-2007, 12 UTC

Die 500hPa-Karte zeigt ein ausgedehntes Höhentiefdrucksystem, das sich von der Iberischen Halbinsel bis zur Nordsee und südlichen Ostsee erstreckt. Der Tiefkern befindet sich über Belgien. Ein mäßig gekrümmter Kurzwellentrog liegt mit seiner Trogachse über Mittelitalien und ist in die Ostflanke des Höhensystems eingebettet. Die dicht gedrängten Isolinien des Geopotentials deuten ein begrenztes Starkwindband an, das sich von Mittelitalien, Österreich, Tschechien bis nach Südpolen ausdehnt. Die linke Ausgangsregion des Starkwindbandes reicht von Westtschechien über Sachsen, Brandenburg bis nach Westpolen und ermöglich quasi-geostrophischen Antrieb im Interessensgebiet. Die Grenze zwischen Höhenwarm- und kaltluft verläuft etwa entlang des Erzgebirges.

Abb.2 850mb Geopotential (gpdm), Temperatur (°C) am Donnerstag, 23-08-2007, 12 UTC

In der unteren Troposphäre ist Südostdeutschland von mäßig warmen Luftmassen bedeckt, mit Temperaturen von etwa 12-13°C in 850hPa. Die schwach gedrängten Isolinien sorgen für eine schwach südliche bis südsüdwestliche Strömung in der Grenzschicht. Die horizontalen Temperaturunterschiede und folglich der frontogenetische Antrieb (nicht gezeigt) sind schwach. Vergleicht man jedoch die Lage des Höhenkaltluftgebiets mit dem der Warmluftmasse in Bodennähe, so stellt man eine Überlagerung fest (-18°C in 500hPa, +12 °C in 850hPa), welche zu starken Temperaturabnahmen in der 500/850hPa-Schicht führen. Es kann allerdings eine deckelnde Inversion vorhanden gewesen sein, die Luftpakete daran hinderte, die Höhe des freien Aufstiegs zu erreichen. Wir kommen auf diesen Punkt im nächsten Kapitel zurück.

Abb.3 850mb äquivalentpotentielle Temperatur (°C), Bodendruck (hPa) am Donnerstag, 23-08-2007, 12 UTC

Ein Schwaden erhöhter Theta-e-Werte erfasste Sachsen am Mittag und Nachmittag. Flache Druckfelder sind in niedrigeren Schichten vorhanden, mit Kern über Tschechien. Der Nordostquadrant des Tiefs umfasst das Interessensgebiet und führt dort zu östlichen bis nordöstlichen Bodenwinden.

Abb.4 KO-Index [K] Isolinien, Extrema L < -6, S > +6 und 500mb Vertikalbewegung (hPa/h), farbig, am Donnerstag, 23-08-2007, 12 UTC

Stark negative KO-Index-Werte deuten auf das Vorhandensein einer potentiell instabilen Schicht zwischen 500hPa und 1000hPa hin (wie bereits zuvor aufgrund der Temperaturabnahme in dieser Schicht angenommen wurde, siehe oben), die sich mit Werten von ungefähr -12K über Südsachsen erstreckt. Wie ersichtlich, überlappt ein kräftiges Hebungsgebiet die Region mit potentieller Instabilität. Das heißt, potentielle Instabilität konnte in bedingte Instabilität umgewandelt werden und in der Folge freigesetzt, vorausgesetzt, ein Luftpaket erreicht die Höhe freier Konvektion.

Abb.5 Wind 10m über Grund (Kn), Bodendruck (hPa) am Donnerstag, 23-08-2007, 12 UTC

Die letzte Karte zeigt zwei flache Tiefdruckgebiete über Ostdeutschland und Tschechien, mit Ostwinden über Sachsen.

Um diese synoptische Nachbetrachtung abzuschließen - die obigen Karten zeigen günstige Bedingungen für (organisierte) Gewitterzellen, mit einer kräftigen südwestlichen Strömung in mittleren Höhen, die starke hochreichende Windscherung ermöglicht. Des Weiteren bietet der linke Jetauszug quasi-geostrophische Hebung über Sachsen, welche die verfügbare potentielle Labilität in bedingte Labilität umwandelt und (später) freisetzt. Die entsprechenden Taupunkte (nicht gezeigt) von 16-19°C führten zu geringen Taupunktsdifferenzen am Boden (gleichzeitig 23-25°C Lufttemperatur) und auch zu ausreichender Bodenfeuchte. Der wichtigste Faktor war die starke Rechtsdrehung des Windes in der Grenzschicht von östlichen Bodenwinden auf südliche Winde in 850hPa. Insgesamt kann man also von einer typischen Umgebung für Superzellengewittern sprechen.

4. Sondenaufstiege aus der Umgebung und Schlussfolgerungen

Leider gibt es keinen Sondenaufstieg in der Nähe der Strecke, welche die Superzelle zurückgelegt hat, sodass wir auf Sondenaufstiege zurückgreifen müssen, die sich z.T. einige hundert Kilometer vom Gewitter entfernt befanden. Wenn man jedoch eine "Mischung" aus diesen Aufstiegen bildet, werden wir ein gutes Bild von den vorherrschenden Bedingungen erhalten.

Ich werde diese Aufstiege mit Hinblick auf...

untersuchen. 1. Lindenberg, Ostbrandenburg

2. Wroclaw I, Südwestpolen

3. Prag, Zentraltschechien

4. Kuemmersbruck, Nordostbayern

Parameter Lindenberg Wroclaw Praha Kuemmersbruck
Bodenfeuchte/Taupunktsdifferenz 23,4 | 17,4 22,6 | 18,5 25,0 | 15,0 19,4 | 13,4
Flüssigwassergehalt über Frostgrenze mäßig sehr niedrig niedrig niedrig
MLCAPE [in J/kg] 845 J/kg 266 J/kg 150 J/kg 16 J/kg
Temperaturgefälle 900/700mb quasi-adiabatisch adiabatisch, dann feucht quasi-adiabatisch quasi-adiabatisch
Rechtsdrehung (Grenzschicht) Nordost auf Süd Ostnordost auf Südsüdwest Südwest auf Süd (rückdrehend!) Nord auf West bzw. Südwest
Hochreichende Windscherung (500mb Winde) 17 Kn 58 Kn 60 Kn 45 Kn
CIN (in J/kg) -5 -80 -120 -170
Frostgrenze der Feuchttemperatur ca. 3000m über 3200m ca. 3100m ca. 2900m

Ergebnisse aus den Sondenaufstiegsanalysen

Recht geringe Taupunktsdifferenzen herrschen am Nachmittag im Interessensgebiet, die hohe Grenzschichtfeuchte ermöglichten. Aufgrund der darüber liegenden Trockenschichten, bildete sich potentielle Labilität, die möglicherweise mehr Labilität freisetzte als es die MLCAPE-Werte vermuten lassen. Die rechtsgerichtete Winddrehung mit der Höhe war überall stark, ausgenommen in Prag weiter nach Osten hin, wo zurückdrehende Winde und eine starke Sperrschicht beobachtet wurden. Die hochreichende Scherung erreichte aufgrund der Lage der Stationen im Bereich des Starkwindkerns Werte über 45 Kn. Lindenberg, weiter im Westen gelegen, offenbarte eine deutliche Abnahme der Höhenwinde.

Der Deckel war in Lindenberg und Wroclaw am Schwächsten und nach Süden am Stärksten. Berücksichtigt man den (geschätzten!) Flüssigwassergehalt oberhalb der Frostgrenze, das mitteltroposphärische Temperaturgefälle und die Frostgrenze der Feuchttemperatur (wet-bulb zero), so herrschte das größte Potential for Großhagel in Lindenberg, mit einem hohen Flüssigwassergehalt, einer niedrigen Frostgrenze der Feuchttemperatur sowie nahezu adiabatischen Temperaturabnahmen (mit entsprechend trockenen Schichten, die das niedrige wet-bulb zero ermöglichten).

Die Faktoren, welche Großhagel begünstigen wurden Marco Kaschuba's Artikel sowie vom Estofex-Leitfaden zur Vorhersage von konvektiven Unwettern entnommen.

Zusammenfassend waren die thermodynamischen und kinematischen Bedingungen für Superzellen günstig. Das Gewitter zog in ein Gebiet mit mäßiger bis starker hochreichender Windscherung (zwischen 15-25m/s), welches förderlich für klassische oder niederschlagsreiche Superzellen war (vorausgesetzt, wir verwenden obige Schwellenwerte). Aufgrund des erhöhten Flüssigwassergehaltes oberhalb der Frostgrenze, der möglicherweise massiven Freisetzung potentieller Labilität und der niedrigen Frostgrenze der Feuchttemperatur war die Umgebung für das Wachstum großen Hagels förderlich. Die eingelagerten Trockenschichten können zudem verstärkte Verdunstungskälte verursacht haben, welche für die Erzeugung schwerer Windböen verantwortlich war.

5. Quellen

© www.wetteran.de