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Gewitter

20.05.2010

1.Definition:

Im Allgemeinen ein örtlicher Schauer, der ausnahmslos von einer Cumulonimbuswolke erzeugt und immer von Blitz und Donner begleitet wird, gewöhnlich mit starken Böen, heftigem Regen und manchmal mit Hagel.
(Quelle: AMS Glossary)

Gewitterschauer und Gewitter sind dabei dasselbe, wobei mit Gewitter meist ein singuläres Ereignis gemeint ist, z.B. als typisches Wärmgewitter am Abend, während Gewitterschauer in der Mehrzahl gebräuchlich ist, etwa bei labilem Rückseitenwetter nach einer Kaltfront, die zudem weniger blitzaktiv als einzelne, langlebigere Gewitterzellen sind.

2. Zutaten:

Gewitter entstehen gewöhnlich bei hoher relativer Feuchte in der konvektiven Grenzschicht, genügend hohe Labilität und Hebungsantrieb durch Konvergenzlinien, an der Orographie bzw. durch Sonneneinstrahlung. Diese drei Faktoren müssen gleichzeitig vorhanden sein, weswegen man auch von einer zutatenbasierenden Vorhersage von Gewittern spricht. (Doswell 1996)

Bei geringer relativer Feuchte in der Grenzschicht entstehen hochbasige Gewitter, die entsprechend anfällig für starke Verdunstungskälte und konvektive Fallwindböen sind. Hohe absolute Feuchte, die bei hohen Lufttemperaturen und hoher relativer Feuchte erreicht wird, erzeugt wiederum hohe Labilitätsenergie, welche erhöhtes Schwergewitterpotential entwickelt. Starker Hebungsantrieb fördert die Vereinigung mehrerer Gewitterzellen zu Multizellensystemen, wenngleichzeitig eine vertikale Windscherung gegeben ist. Letztere bestimmt den Grad der Organisation von Gewitterzellen. Die gewöhnliche ("ordinary") Einzelzelle entsteht meist bei geringer Richtungsscherung und schwacher Geschwindigkeitsscherung, während starke Geschwindigkeitsscherung für Multizellen begünstigend ist. Die Königin der Gewitterzellen, die Superzelle profitiert meist von der Koexistenz von Richtungs- und Geschwindigkeitsscherung sowie von hoher Labilität und starkem Hebungsantrieb. Kommt dazu noch eine starke bodennahe Windscherung und viel relative Feuchte bzw. Labilitätsenergie in der Grenzschicht, so können sich Typ-I-Tornados in Zusammenhang mit Superzellen entwickeln. Bei starkem Auftrieb in der Grenzschicht, hoher relativer Feuchte und windschwacher Umgebung mit Präsenz von Konvergenzlinien können gewöhnliche Einzelzellen Typ-II-Tornados hervorrufen.

ausführlichere Informationen zur Entstehung und Verbreitung von Gewitterzellen:

3. Begleiterscheinungen

Zu den schadensträchtigen Auswirkungen von Gewittern zählen unter anderem schwere konvektive Fallböen (= Downbursts), Wolken-Erde-Blitze (Cloud-to Ground Lightning, kurz: CG) großer Hagel und Tornados

3. Diagnose

Zur Diagnose von Gewitter kann man sogenannte Gewitter-Indizes heranziehen, nachfolgend die am Häufigsten verwendeten, deren Berechnung und Aussagekraft:

Index Abkürzung Berechnung Schwellenwerte Aussagekraft Quelle (falls rar: mit Link)
Lifted LI(FT) LI = T500-T_Luftpaket; T500 = Temperatur in °C in 500 hPa; T_Luftpaket = 500 hPa Temperatur eines gehobenen Pakets mit durchschnittlichem Druck, Temperatur und Taupunkt der Schicht zwischen Boden und 500 m. stark labil: < -5, mäßig labil: < -3; labil: < 0, neutral: 0, stabil: > 0 kann positiv sein und dennoch labil geschichtet, z.B. bei winterlicher Rückseitenkonvektion, deren Wolkenobergrenzen unter 500 hPa liegen. WZ,Soundings
Showalter SHOW SHOW = T500-T_Luftpaket, wie LI, nur gehoben ab 850 hPa. stark labil: < -4; mäßig labil: -2; labil: < 0; stabil: > 0, doch schwache Konvektion möglich für, wenn starke Hebung vorhanden ist. vor allem in gebirgigen Regionen gebräuchlich, wo Hangkonvektion einsetzt, kann irreführend hohe Werte zeigen, wenn in dieser Höhe stabil geschichtet (z.B. Föhn) Weather Unisys, Soundings
KO- KO KO = 1/2(Te_500 + Te_700) -1/2(Te_850 + T_1000); Te = äquivalentpotentielle Temperatur. KO > 6 potentiell stabil, KO 2-6 Gewitter möglich, KO < 2 Starke Gewitter möglich Maß für die potentielle Instabilität, die entsteht, wenn trockene höhere Luftschichten feuchte niedere Luftschichten überlagern und durch hochreichende Hebung die feuchte Schicht feuchtadiabatisch gekühlt wird (0,65K/100m), und die trockene trockenadiabatisch (1K/100m). Entsprechend ist der Temperaturrückgang in der Höhe stärker.

Ist vor allem im Winter und in Zusammenhang mit Trögen/Fronten von Bedeutung.

 Wetter3
Cross Totals CT CT = TD_850 - T_500 < 18 geringes Gewitterpotential, > 22 geringes Schwergewitterpotential, > 25 großes Schwergewitterpotential in den Staaten ist eine gute Korrelation zwischen Unwettern und CT > 24 gegeben.
Vertical Totals VT VT = T_850 - T_500 VT > 30: sehr labil (Gewitter), VT > 25: labil (Schauer), VT < 25: stabil nur dann labil, wenn zwischen 850 hPa und 500 hPa keine Inversion vorhanden ist, andernfalls bedingt labil (CINH), bei Abkühlung oberhalb 500 hPa irreführend stabil 850 hPa/500 hPa Karten
Total Totals TT/TOTL TT = CT + VT TT < 44: Konvektion unwahrscheinlich, TT 44-50: Gewitter wahrscheinlich, TT> 55 teils schwere Gewitter Schwere des Gewitters von der Scherung abhängig, nicht im TT inkludiert! deckelnde Inversion nicht erkennbar, kann zu stabil sein, wenn die Feuchteschicht knapp unterhalb 850 hPa liegt. VT kann sehr groß sein und TT trotz fehlender Feuchte groß werden lassen. Soundings
K- KINX KINX = (T_850-T_500)+ TD_850 - (T_700 - TD_700); TD = Taupunkt K <20: keine Gewitter, > 20 einzelne Gewitter, > 30 zahlreiche Gewitter, > 40 mit hoher Sicherheit Gewitter besteht aus einer lapse rate, einem Taupunkt in den unteren Schichten und der relativen Feuchte in 700 hPa
Thompson - TI = KINX-MU-LI; MU = most unstable Lifted Index TI < 25 keine Gewitter, 25-34 Gewitterpotential, 35-39 teils starke Gewitter, > 40 Schwergewitterpotential funktioniert in den Staaten gut ab > 40, funktionierte sehr gut bei Kyrill (18.1.2007) Convective Lightningwizardmaps

Die hier angeführten Indizes dienen zum schnellen Überblick, können aber niemals eine synoptische Beurteilung der Gewitterlage ersetzen!

4. Vorhersage

Bei der Gewittervorhersage bedienen sich die Prognostiker bestenfalls der oben angesprochenen zutatenbasierenden Vorhersagemethode (ingredients-based forecast methodology), da sich hieraus ein besseres Verständnis der notwendigen Faktoren für Gewitter ergibt als wenn man nur auf Indizes schaut.

Unerfahrene Vorhersager und Laien schauen häufig nur auf die Labilitätskarten (CAPE + LI), was dazu verleitet, bei geringen Werten eine geringe Gewittergefahr bzw. ein geringes Potential für Schwergewitter anzunehmen. Es wird hierbei übersehen, dass die Windscherung (welche die Einheit einer Energiedosis hat) eine Größenordnung annehmen kann, die gleich oder größer als die Labilitätsenergie ist. Der verlinkte Artikel legt seinen Schwerpunkt daher auf die Energieformen Windscherung und Labilitätsenergie sowie deren Kombination und Auswirkungen auf die Organisation und Intensität von Gewittern.

Im praktischen Umgang mit Vorhersagekarten ist im Hinblick auf Begleiterscheinungen von Gewittern auf zahlreiche Faktoren zu achten. Gerade bei Unwetterlagen, die durch starke Dynamik und Nowcasting gekennzeichnet sind, muss es bei der Vorhersage schnell gehen. Daraus wuchs die Idee, eine Checkliste zur Gewittervorhersage zu erschaffen, die die Zutaten für die jeweiligen Auswirkungen sowie die Modi der Gewitter (einzeln - gruppiert - Superzelle) zusammenfasst. Von ESTOFEX-Vorhersager Oscar van der Velde wurde ein Leitfaden zu den von ihm entwickelten Lightningwizardkarten geschrieben, welcher diverse Vorhersageparameter und Unwetterindizes kombiniert. Bereits in den 1880er Jahren wagte J.P. Finley vom ASS (Army Signal Service) die Behauptung, dass Tornados vorhersagbar wären. Erst in den 40er Jahren wurden Vorhersagemethoden vorgeschlagen, basierend auf Höhenbeobachtungen, größtenteils als Reaktion auf militärische Bedürfnisse. 1948 begann die U.S. Air Force mit der Unwettervorhersage als Reaktion auf einen nicht bewarnten schadensträchtigen Angriff durch einen Tornado auf der Tinker Air Force Base in Oklahoma City. 1952 begann die Severe Local Storms Forecasting Unit (SELS) mit Unwettervorhersagen. Die SELS-Einheit zog 1954 nach Kansas City um und wurde 1966 zum National Severe Storm Forecasting Center (NSSFC). Als Ergebnis der Anstrengungen der Vorhersager konnten vier charakteristische Sondenaufstiege in Verbindung mit starker Konvektion identifiziert werden. Zu Ehren von Col. R. Miller, dessen Luftwaffenhandbuch viele Jahre als Referenzquelle für Unwettervorhersagetechniken diente, werden sie Miller's composite soundings genannt.

Die entkoppelte bzw. gehobene durchmischte Schicht (engl.: elevated mixed layer) ist ein Indiz für den Aufbau hoher Labilitätsenergie und erhöhten Hagelrisikos. Sie tritt üblicherweise in den Sommermonaten über dem Kontinent auf, in Europa bei südwestlicher Höhenströmung, und besteht aus einer sehr trockenen Atmosphärenschichtung. Dieser fungiert einerseits als Deckel für die hochreichende Feuchtkonvektion, andererseits sammelt sich unter diesem Deckel energiereiche Luft an, die bei Auslösung heftige Gewitterbildung verursachen kann.

5. Gewitter und wolkenloser Himmel

Generell gilt in der mesoskaligen Vorhersage, dass man nie von dem Ist-Zustand auf den Später-Zustand schließen darf. Wenn der Himmel wolkenlos in den Tag startet, so bedeutet das nicht zwangsläufig einen wolkenlosen Nachmittag. Nachfolgend drei unterschiedliche Begründungen gegen diese Fehlannahme:
  • Bei hochsommerlichen Wetterlagen mit einem tiefen Trog über Westeuropa und einem schwachen Höhenrücken über Mitteleuropa herrscht meist so starkes Absinken unter dem Keil vor, dass Wolkenbildung in den Vormittagstunden unterdrückt wird. Gleichzeitig werden jedoch absolut feuchte Luftmassen von Südwesten advehiert, die zu einer Ansammlung von Grenzschichtfeuchte unter dem Deckel führen. Der wolkenlose oder gering bewölkte Himmel ermöglicht viel Input von Sonnenenergie und den Aufbau hoher Labilität. Wird der Deckel dann spätnachmittags oder abends geknackt, beispielsweise durch Annäherung einer Kaltfront oder Konvergenzlinie bzw. orographiebedingt, dann entlädt sich die aufgestaute Energie innerhalb kürzester Zeit auf engstem Raum ("loaded-gun-Situation") und es können schwere Gewitter entstehen (z.B. am 18.6.2006 im Alpenraum)

  • Gewitter entstehen nur dann vor Ort, wenn es sich um gradientschwache Wetterlagen handelt ("Barosumpf"). Bei Zunahme des Windes mit der Höhe verlagern sich Gewitter von einem Ort zum Anderen, verstärken bzw. schwächeln dabei. So kann am Ort A noch geringe Bewölkung mit Sonnenschein vorherrschen, während von Ort B ein starkes Gewitter aufzieht.

  • Die berüchtigte postfrontale Subsidenzzone bei Kaltfronten, die durch starkes Absinken und Auftrocknen hinter Kaltfronten zu einem blankgeputztem Himmel führt und durch nächtliche Auskühlung verstärkt sein kann, kann zur irrigen Annahme verleiten, dass die Schaueraktivität nun vorbei ist. Jedoch kann mit einer hereinschwenkenden Trogachse und Höhenkaltluft die typische Rückseitenkonvektion wieder aufflammen und nach vorübergehender Wetterberuhigung erneut die Schauer- und Gewittertätigkeit aufleben lassen.
Sofern die Front nicht seicht (und damit stabilisierend, da bodennah die Temperatur rascher als in der Höhe zurückgeht) hereinkommt, ist ein wolkenloser Himmel kein Indiz für einen sonnig zu Ende gehenden Tag bzw. eine trocken verlaufende Nacht. Gerade bei schwülen, hochsommerlich heißen Luftmassen können wie aus dem Nichts plötzlich riesige Gewitterwolken entstehen, die zu Superzellen auswachsen und großen Hagel und Sturzfluten hervorbringen (vgl. Leipzig, 16.6.2006).

6. Fallstudien

Nachfolgend drei Fallstudien (PDF-Format), welche ich im Rahmen meines Ferialpraktikums bei der AustroControl erstellt habe (mit freundlicher Genehmigung von Andreas Lanzinger hier veröffentlicht):

Für den Verein "Skywarn Austria", bei dem ich aktives Mitglied bin, wurde diese Fallstudie im Kontext des am 13. Mai 2010 im Südburgenland bei Mogersdorf aufgetretenen Tornado angefertigt:

(c) www.wetteran.de