Die gehobene Grenzschicht - Ursache und Bedeutung für die Gewittertätigkeit in Europa

Einleitung

Bei professionellen Unwetterprognosen, die die synoptische Entwicklung hervorheben, z.B. beim SPC oder ESTOFEX, ist manchmal von einer EML (Elevated Mixed Layer) die Rede. Zur Übersetzung gibt es mehrere Möglichkeiten: wörtlich übersetzt könnte man gehobene oder entkoppelte, durchmischte Schicht sagen. Im Hinblick auf die Herkunft dieser Schicht - es handelt sich nämlich meist um eine konvektive Grenzschicht - ist gehobene Grenzschicht trefflicher. Dazu gibt es jedoch zwei Ausnahmen:

Föhn, der nicht bis zum Boden durchgreift, kann eine der EML identische Schicht erzeugen:

Beispiel vom 10. November 2007 in Innsbruck mit Nordföhn in der Höhe. Im markierten Bereich herrscht eine starke Westnordwestströmung, die Lufttemperatur folgt der Trockenadiabate, der Taupunkt annähernd dem Mischungsverhältnis. Diese Pseudo-EML ist nicht durch eine gehobene Grenzschicht, sondern durch Absinken im Lee der dem Inntal vorgelagerten Gebirgsketten entstanden.

Eine Dry Intrusion in Verbindung mit einem Sturmtief geht meist mit starken Temperaturabnahmen in der mittleren Troposphäre einher , die in den Lightningwizardkarten anhand der 2-4 km lapse rates besonders gut erkennbar sind. Der Dryslot überlagert verhältnismäßig feuchte und warme Luftmassen in der Grenzschicht und erzeugt dadurch potentielle Instabilität.

Auftreten

Die EML findet man typischerweise im Sommer auf der Vorderseite eines Troges über dem Ostatlantik bzw. über dem Golf von Biskaya. Sie wird mit einer südlichen bis südwestlichen, subtropisch warmen Strömung von Nordwestafrika über Spanien, Frankreich bis nach Mitteleuropa advehiert. Die nordwärts advehierten subtropisch-kontinentalen Luftmassen sind beständig warm und größtenteils trocken, zumindest in den unteren Schichten, falls der Ursprung in der Sahara liegt.

Entstehung

Die EML entsteht nun, wenn über der Sahara oder Hochebene Spaniens die bodennahe Schicht im Tagesverlauf durchgeheizt und dadurch durchmischt wird. In dieser konvektiven Grenzschicht sind die potentielle Temperatur und das Mischungsverhältnis höhenkonstant. Durch advektive Prozesse (synoptisch-skalige Strömungen) wird die konvektive Grenzschicht gehoben, wofür sich die Spanische Hochebene bzw. die Pyrenäen hervorragend anbieten. Wenn man die Orte, an denen dies geschieht, miteinander verbindet, erhält man die Dryline, die als Entstehungsort für Schwergewitter berüchtigt ist. Einmal gehoben wird die konvektive Grenzschicht zur EML.

Identifikation

EMLs sind im Radiosondenaufstieg leicht am trockenadiabatischen Temperaturverlauf bei gleichzeitig dem Mischungsverhältnis folgendem Taupunkt zu erkennen (s.u.). Die 2- 4 km lapse rates der Lightningwizardkarten deuten die EML als "Schwaden" mit erhöhten lapse rates an.

Auswirkungen

Die EML wird zunächst die Entstehung von hochreichender Feuchtkonvektion aus der darunter liegenden feuchtwarmen Grenzschicht hemmen. Sie wirkt wie ein Deckel auf einem Kochtopf. Die Feuchte sammelt sich somit beständig unter diesem Deckel an, kann aber nicht entweichen. Feuchtequellen sind z.B. Verdunstung über Land und Meer oder von Pflanzen (Evapotranspiration). Ohne Bildung von Feuchtkonvektion bleibt der Himmel meist wolkenlos, sofern nicht hohe Wolken durch ein warme Förderband advehiert werden, und es kann ungehindert einstrahlen. Dadurch entsteht potentielle Instabilität, weil eine trockene Schicht eine feuchtwarme Bodenschicht überlagert.

Existiert nun ein Hebungsmechanismus , so können aufsteigende Luftpakete aus der Grenzschicht den Deckel überwinden, und frei aufsteigen. Diese Hebungsmechanismen sind z.B. die Einstrahlung selbst, die Advektion von Warmluft und Feuchte, die Abkühlung der EML oder hochreichende Hebung der gesamten Luftsäule. Die potentielle Instabilität wird dadurch freigesetzt.

Wenn ein warmes Förderband zusätzlich feuchte Luft in den mittleren Schichten oberhalb der EML herantransportiert, dann kann von der Obergrenze der EML Konvektion ausgelöst werden, die man zunächst als die bekannten Gewittervorboten Ac cas sieht und bis zu Cbs auswachsen können, die dann durch Niederschlag und Feuchteanreicherung in den unteren Schichten bis in die feuchtwarme konvektive Grenzschicht absinken, zuvor aber von ihr entkoppelt sind.

Gewitter, die sich aus einer bedingt labilen subtropisch-kontinentalen Luftmasse entwickeln, erzeugen nicht zwingend Unwetter. Dies hängt von folgenden drei Faktoren ab:

• eine deckelne Inversion an der Untergrenze der EML, welche stark genug ist, um möglichst lange feuchte Luft unterhalb der EML zu sammeln und nicht frühzeitig durch (verbreitete) Konvektion freigesetzt wird.
• möglichst steiles Temperaturgefälle innerhalb der EML, aber auch darüber, damit aufsteigende Luftpakete starken Auftrieb erlangen können.
• Die Freisetzung der Labilität geschieht bestenfalls in einer stark gescherten Umgebung, mit wenigstens 20 m/s 0-6km Scherung (DLS) bzw. 10 m/s 0-1km Scherung (LLS), mit hohen (über 150 m²/s²) SRH-Werten (0-3km).

Sind alle Faktoren erfüllt, dann kann es zu Schwergewittern mit großem Hagel (dank der EML), Downbursts (bei feuchtwarmer Grenzschicht) und Tornados (durch die starke Umgebungsscherung) kommen. Da die Advektion subtropischer Luftmassen über das Mittelmeer in der Regel mit sehr hohen Theta-e-Werten verbunden ist, ergibt sich zusätzlich das Risiko heftiger Regenfälle, besonders wenn die hochreichende Scherung 10 m/s nicht überschreitet.

Die Hagelunwetter in München (12.Juli 1984), Leipzig (16. Juni 2006) oder zuletzt Villingen-Schwenningen (28.Juni 2006) wiesen alle eine EML auf. Es ist also anzunehmen, dass die Präsenz einer solchen stark mit der Entstehung von (großen) Hagel verknüpft ist.

Eine ausführliche Studie zu entkoppelten Mischungsschichten in den Weiten Ebenen (Great Plains) der USA kann man hier (1,69mb, pdf) nachlesen.

Quelle: UK-Forum

© Felix Welzenbach, 19. Juni 2006