Definition:

Ein Downburst ist eine schwere Fallböe, die in Verbindung mit hochreichender Feuchtkonvektion steht und überwiegend bei Gewittern auftritt.

Voraussetzung und Entstehung

Schwere Fallböen basieren auf kräftigen Abwinden innerhalb einer konvektiven Zelle, die durch einen Mechanismus stark beschleunigt werden und punktförmig auf dem Boden auftreffen. Daher herrscht bestenfalls eine trockene Schicht im mittleren Niveau und eine feuchte Schicht am Boden vor. Letztere erzeugt niedrige Wolkenuntergrenzen und hohe Wolkenobergrenzen durch hohe Labilität. Fällt der durch Kondensation erzeugte Niederschlag nun durch die trockene Schicht in 1,5 bis 3km Höhe, dann verdunstet ein Teil davon und die Verdunstungskälte beschleunigt den Abwind. Dieser verdrängt die feuchtwarme Luft am Boden rasch und prallt mit voller Wucht am Erdboden auf.

Trockene Downbursts

Diese Variante eines Downbursts tritt eher selten auf, da eine trockene, aber gleichzeitig hochreichend labile Atmosphäre benötigt wird.

 

Radiosondenaufstieg von Lindenberg, 06. Mai 2006 , 12 UTC

In den Nachmittagsstunden des 06. Mai 2006 traten im Raum Brandenburg und Berlin verbreitet Schauer mit teilweise orkanartigen Böen auf. Im Sounding links (zur Vergrößerung bitte anklicken) sieht man eine lehrbuchhafte Schichtung für trockene Downbursts:

1. trockenadiabatische Temperaturabnahmen (lapse rates) bis über 700hPa hinaus, entsprechend starken Auftrieb erzeugend. Da die lapse rates auch über das Kondensationsniveau unverändert stark sind, und die 0°C-Grenze recht tief liegt, ist Hagel und entsprechend starke Verdunstung bei Abwinden möglich
2. Die Labilitätsfläche reicht bei einstrahlungsbedingt erreichtem Kondensationsniveau bis fast 300hPa (gelbe + blaue Fläche: SB-CAPE) , dynamisch wäre ein Aufstieg von 750hPa bis 450hPa möglich (blaue Fläche : ML-CAPE). Die Windscherung ist schwach, spielt aber bei trockenen Downbursts eher eine untergeordnete Rolle. Hier ist die trockene Grenzschicht bis 700hPa entscheidend, welche anhaltende Verdunstungskälte erzeugt. Die Niederschläge halten sich daher bei trockenen Downbursts oft in Grenzen - in manchen Fällen erreicht der Niederschlag den Erdboden gar nicht. Hohe Kondensationsniveaus mit einem inverted-V-Sounding sind typisch.
3. Auffallend ist außerdem der Taupunktsanstieg entlang den Linien konstanten Sättigungsmischungsverhältnisses zwischen 900 und 700hPa, der auf starke Thermikentwicklung hindeutet (im Umkehrschluss starker Abtrieb)

Begünstigt sind Regionen mit trockenen, sandigen oder felsigen Böden, deren geringe Bodenfeuchte bereits hohe Wolkenuntergrenzen erzeugt, z.B. in Teilen Texas, Zentralspaniens oder eben auch in Ostdeutschland. Auch in den Alpen liegen die Basen meist recht hoch, eine Sonderrolle nimmt hier - und im Bereich des Alpenrands der Süd- oder Westföhn ein, der für eine weitere Austrocknung der konvektiven Grenzschicht sorgt und dadurch Abwinde weiter beschleunigen kann, vgl. den 21. Juli 2003 mit dem F1/T-3-Downburst in Innsbruck.

Feuchte Downbursts

Der weitaus häufigere Fall ist der feuchte Downburst, der die in den Voraussetzungen oben erwähnte Schichtung besitzt.
Er hat wenigstens drei Ursachen :

1. Niederschlagslast durch große Regentropfen oder Hagel
2. Niederschlagsmenge mit starker Verdunstungskälte bei gleichzeitig vorhandener trockener Schicht im mittleren Niveau, ggf. auch durch starke Winde wie dem rear inflow jet, der die Verdunstung beschleunigt, zusätzlich schmelzender Hagel, dessen Schmelzwärme der Umgebungsluft entzogen wird
3. vertikaler Impulsfluss durch einen Low- bis mid-level-Jet

Während dem ersten Faktor nicht soviel Bedeutung beigemessen wird, ist es in der Regel eine Mischung aus Faktor 2 und 3 , die zu feuchten Downbursts führen. Da es sich meist um dynamische Wetterlagen mit entsprechend vorhandener Geschwindigkeitsscherung, ggf. auch Richtungsscherung handelt, spielen die Starkwinde in der Höhe eine wichtige Rolle bei Verdunstungsraten und Impulsfluss.

Bei winterlichen Sturmlagen, wie sie z.T. auch im Sommerhalbjahr auftreten, überwiegt der Impulsfluss der Höhenwinde zum Boden, sodass hier vorrangig die Mittelwinde in 850hPa als Maximalgeschwindigkeiten am Boden bei Feuchtkonvektion prognostiziert werden. Im Sommerhalbjahr mit erhöhten Temperaturen und erhöhter Labiltät bei höherer Wassergehalt der Atmosphäre ist die Niederschlagsrate in Verbindung mit trockenen Schichten entscheidender. Eine strikte Trennung beider Faktoren ist jedoch schwer möglich - lediglich deren Anteil ist je nach Wetterlage unterschiedlich.

Feuchte Downbursts mit signifikanter Stärke treten in der Regel nur bei Superzellen mit langlebig rotierendem Aufwindbereich auf. Je stärker die Windscherung in den mittleren und oberen Höhenschichten, desto besser werden Auf- und Abwinde voneinander getrennt, was sich auf die Lebensdauer der Zelle positiv auswirkt. Die Rotation der Zelle im mittleren Niveau begünstigt das Entrainment trockenerer Luft und fördert wiederum die Verdunstungskälte. Niederschlagsreiche Superzellen (HP-Supercells) bringen daher am Ehesten feuchte Downbursts hervor, da sie eine feuchtwarme Grundschicht aufweisen.

 

Radiosondenaufstieg von Schleswig, 15. Juli 2005 , 12 UTC

Am 15. Juli 2005 ereigneten sich in weiten Teilen Norddeutschlands zahlreiche Downbursts. Ursache war der Durchgang eines Kurzwellentroges mit starker vorderseitiger Erwärmung und z.T. zurückdrehenden Winden. Ein in fast allen Schichten ausgeprägtes Starkwindmaximum sorgte für eine starke Zunahme der Dynamik und entsprechend auch kräftiger Hebung im linken Auszug des Jets über Norddeutschland.

Der Temp von Schleswig zeigt ein typisches Schichtungs- und Windprofil für einen feuchten Downburst. Das Kondensationsniveau liegt recht niedrig, bis 750hPa ist die Schicht recht feucht, entsprechend ergibt sich hohe Labilität mit ML-CAPE von rund 650 J/kg und SB-CAPE , der etwa 1500 J/kg betragen haben dürfte. Starke Niederschlagsraten mit kleinerem Hagel bei normal ausgeprägten Gewittern sind die Folge. Ferner beginnt ab 700hPa der Einschub trockener Luftmassen bei einer Zunahme der Windgeschwindigkeit auf über 45Kn.bis zur Tropopause. Auch die 35Kn knapp über dem Kondensationsniveau sind durchaus beachtlich und zeigen die hohe Geschwindigkeitsscherung in Mitteleuropa an diesem Tag auf (in den USA sind 60-70Kn in 850hPa keine Seltenheit).

Infolge der günstigen Schichtung und der hohen Scherung auch in bodennahen Schichten entwickelten sich Mesozyklonen, wie z.B. bei Eisenach (Thüringen), die großen Hagel bis zu 4cm hervorbrachten.

Weitere Beispiele für markante Downburstlagen:

• Am 2. 6. 1999 zog eine Squall line mit verbreiteten Orkanböen über Deutschland hinweg - auch hier eine klassische Schwergewitterlage mit einem Kurzwellentrog über dem Ärmelkanal, einem flachen Bodentief über Westdeutschland und vorderseitig angesaugter ThetaE-Zunge. Die hohe barokline Schichtung mit starkem thermischen Gegensatz am Boden begünstigte die Bildung eines MCS (mesoscale convective system), der sich als Squall line mit eingelagerten Bow Echos formierte. Diese entwickelte nach einer gewissen Zeit eine Eigendynamik und zog rasch ostwärts.
  Für mich persönlich stellte es damals für längere Zeit ein unvergessliches Unwettereignis dar. Ich war in Mainfranken bei Miltenberg zu Hause und sah eine schwarze Wand mit horizontal rotierenden Wolkenwalzen aus Westen näher kommen. Die Temperatur lag mit vorheriger Einstrahlung noch bei 28°C. Innerhalb weniger Minuten fegten schwere Sturmböen heran, mitunter auch orkanartig und es setzte Starkregen (21mm in 30min) und Hagel bis 2cm Korngröße ein. Die Temperatur sank in der halben Stunde auf 15°C ab.
• Am 10.7. 2002 ereignete sich das berühmte Derecho bei Berlin mit Orkanböen bis 150km/h , was schwere Schäden verursachte. Das synoptische Setup ähnelte dem 2.6.99 , war jedoch wesentlich dynamischer ausgeprägt, auch der thermische Gradient am Boden zeigte sich massiver. Auffallend hier vor allem die sehr trockenen Vertikalsondierungen über Nord- und Ostdeutschland, die bei Fortschreiten der Squall line anhaltend massive cold pools in der konvektiven Grenzschicht erzeugten. Durch die verbreitet hohe Verdunstungskälte konnten sich flächig Downbursts entwickeln, in der Fachsprache Derecho genannt .
• Am 25.10.2002 zog die Kaltfront von Ex-Hurricane Kyle über Deutschland von Nordwest nach Südost hinweg. Bei stark geschwindigkeitsgescherter Umgebung bildeten sich mehrere Schauerlinien mit eingelagerten Gewittern aus. Die Kaltfront und nachfolgende Troglinie brachten ab den Abend- und Nachtstunden verbreitet schwere Sturmböen, z.T. auch Orkanböen. In Mainfranken konnte ich kleinen Hagel beobachten. Es handelte sich hier um den oben erwähnten Grenzfall aus herabgemischten Höhenwinden des durchschwenkenden Starkwindfelds und kräftiger Konvektion durch die höhenkaltluft-labilisierte Luftmasse mit Hebung an den Fronten.

Kategorien von Downbursts

Downbursts werden je nach Größe in Microbursts ( kleiner 2 km) oder Macrobursts (größer 2 km) unterteilt.Eine Sonderform stellt der Starburst da, der tornadische Fallmuster hervorrufen kann, wenn der Abwind beim Aufprall am Boden sternenförmig auseinanderfließt.

Sonst geht man von der Vorstellung aus, dass der Abwind bei nachlassenden Aufwind plötzlich wie ein nasser Sack aus der Wolke fällt und sich am Boden an einer bestimmten Stelle konzentriert. Je weiter sich die seitlich ausfließenden, zur Verwirbelung neigenden Abwindströme von der Aufprallstelle entfernen, desto schwächer werden die Windgeschwindigkeiten. Das Gegenteil kann dann eintreten, wenn sich der Downburst in einem Tal ereignet und die Winde kanalisiert werden.

In der Statistik der Unwetterereignisse bei TorDACH werden jedoch nur die signfikanten Fälle mit wenigstens Orkanstärke gezählt, da unterkritische Downbursts nahezu bei jedem stärkeren Schauer oder Gewitter auftreten.

Unterscheidung von Downbursts und Tornados anhand von Schäden

Bei Downbursts handelt es sich häufig um flächige Bruch- oder Wurfschäden. Da die Windgeschwindigkeiten innerhalb eines Downbursts innerhalb kurzer Distanz extrem variieren kann, reicht die Schadensintensität entsprechend auch von verherrend bis minmal auf wenigen Metern. Schäden können schneisenartig auftreten, vor allem wenn die Abwindströme kanalisiert wurden. In Richtung der schwächer werdenden Ströme sind vermehrt Druckschäden beobachtbar. Abgedrehte Äste sind bei Downbursts keine Seltenheit und daher kein eindeutiges Indiz für einen Tornado. Ein ungünstiger Aufbau des Baumstammes, der bei starker Hebelwirkung in Schwingungen versetzt werden kann , sowie geländebedingte Verwirbelungen des Fallwindes erzeugen tornadoähnliche Schäden.

Tornadoschäden zeigen hingegen oftmals ein konvergentes Wurffeld. Bruchschäden sind hierbei in der Mehrzahl, ebenso abgeknickte Äste an einer Seite des Baumes oder abgeknickte Kronen. Auch das Verhältnis Länge zu Breite der Schadensschneisen ist ein wichtiges Indiz für Tornados, wenn es mehr als 4 : 1 beträgt. Eine große Verwechslungsgefahr kann dann bestehen, wenn geradlinige Wurf- oder Bruchschäden auftreten. Bei einem Tornado addieren sich an der Ostflanke bei einer Süd-Nord-Zugbahn Rotation und Translation und führen zur Beschleunigung der Winde. An der Westflanke wirkt die Rotation entgegen der Translation, sodass die Winde hier schwächer , jedoch chaotischer ausfallen können. Die an der Westflanke beschleunigten Winde können daher geradlinige Schäden verursachen, die einem Downburst sehr ähnlich sehen.

Da Abwinde bei hochreichender Feuchtkonvektion generell vorhanden sind, ein tornadischer Wirbel durch Rotation einer Gewitterzelle oder Konzentrierung vertikaler Vorticity entlang von Konvergenzen erst erzeugt werden muss, sind Downbursts allgemein zuerst anzunehmen, wenn man an eine Schadensanalyse herangeht. Sofern keine Augenzeugen existieren und das Dopplerradar ungenaue Ergebnisse liefert, ist der Downburst der wahrscheinlichere Fall. Im Radarbild können sich Indizien hinsichtlich Echostruktur ergeben. Squall line-artige Echos oder Bogenechos deuten eher auf geradlinige Starkwindereignisse (Downbursts) hin, während superzelluläre Echos auch Tornados beinhalten können. Im Aufriss (Vertikalschnitt einer Zelle) weist extreme Reflektivität bis in große Höhen (Hot Tower) auf unwetterartigen Niederschlag bis großen Hagel hin, der das Risiko eines Downbursts erhöht.

Mehr zum Thema

• Microbursts - A Handbook for Visual Identification (Caracena, Holle, Doswell, 2001)
• Downbursts (Rose, 2003)
• Bestimmung der Tornado- und Downburstintensität (TorDACH)