i) Mittelwind in 850hPa = Spitzenböe am Boden (keine Downbursts!)
ii) Faust-Glover-Methode
Zunächst bestimmt man die Bodentemperatur [A] vor einem Gewitter, indem man von der 850er-Temperatur trockenadiabatisch bis zum Druckwert in Stationshöhe heruntergeht (ist bei bei den Wyoming-Aufstiegen unter Text-List abrufbar).
Als nächstes geht man von der Temperatur in 500hPa feuchtadiabatisch bis zu besagtem Druckwert und erhält damit die unkorrigierte Bodentemperatur [B] bei ausfließender Kaltluft.
Korrektur: Liegt die Differenz [A]- [B] innerhalb
5-10K , erfolgt keine Korrektur
15-20K, werden 1-3K zu B addiert.
25-30K, werden 5K zu B addiert.
Das Ergebnis ist die korrigierte Bodentemperatur [C] bei ausfließender Kaltluft - durch die Differenz aus [A] und [C] multipliziert mit 3,88 erhält man die Spitzenböen in Knoten.
Beispiel anhand eines Innsbrucker Aufstiegs
[A] = 20°C, [B] = 15°C --> 5 K --> keine Korrektur zu [C] --> 5 * 3,88 = 19,4 KT
iii) Nakamura-Methode
Die Formel enthält damit die Verdunstungskühlung, die Niederschlagslast sowie den vertikalen Impulstransport bei Labilität/Höhenwind, wobei die Niederschlagslast den geringsten Teil ausmacht.
Beispiel anhand eines Greifswalder Aufstiegs
Nach Faust-Glover errechnet sich dT als 29,5K [A] und 18°C [B] = 11,5K; das LCL lag bei rund 840hPa, das EL bei etwa 180hPa; umgerechnet in Meter und in die Näherungsformel eingesetzt ergibt sich für H = 4,4 km. RR soll als 38mm/h Regen angenommen werden (gemeldet wurden an jenem Tag 75,8mm in 2h an der Station Hiddensee-Kloster) , vF demnach 5 m/s, v in 4,4km Höhe ca. 10,3 m/s (20Kn). Die Spitzenböen lägen demnach bei 42,5 KT.
Quelle beider Methoden : Beitrag in der Wetterzentrale von Lobo - herzliches Dankeschön an dieser Stelle für die tolle Übersicht.
Bis zum sehr niedrigen Kondensationsniveau bei etwa 1500m gab es sehr starke Temperaturabnahmen.
Damit sind schon einmal zwei wichtige tornadobegünstigende Faktoren erfüllt: Ein potentieller Rüssel hätte eine vergleichsweise geringe Strecke zum Boden zurückzulegen, ferner ist der Aufwind durch die steep lapse rates recht intensiv und kann rotieren.
Das EL lag in 200hPa bei etwa 12,2km - entsprechend hoch die Labilitätsenergie mit 1104J/kg.
Die erforderliche Rechtsdrehung in den unteren Schichten ist für Superzellen vorhanden und beträgt über 90° , darüber hinaus herrscht vor allem in den höheren Schichten eine stärkere Windscherung, die die Langlebigkeit von Zellen begünstigt hat.Die trockenere Schicht im midlevel (800 bis 550hPa) begünstigt die Entwicklung eines cold pools, eine starken Abwindes durch Verdunstungskälte - wegen den dort vorherrschenden geringeren Mittelwinden wäre aber die Downburstgefahr vergleichsweise gering.
Ansonsten aber wegen den steep lapse rates, der großen CAPE-Schicht direkt über dem LCL gute Bedingungen für Mesozyklonen /Superzellen und damit auch ein hohes Tornadorisiko.
Zu sehen ist eine gesättigte Grundschicht bis rund 1000m, darüber befindet sich eine typische Absinkinversion, wie man sie bei Hochdruckeinfluss findet. Sie zeichnet sich im Feuchte/Taupunktsverlauf durch mehrere "Zacken" nach links aus, korrespondierend dazu meist ein markanter Temperaturanstieg an der Untergrenze der Inversion sowie mehrere Zwischeninversionen bei den Zacken, mitunter auch Isothermien. Die verhältnismäßig geringe Taupunktsdifferenz besonders im mittleren und oberen Stockwerk deutet auf nur schwachen Hochdruckeinfluss hin, was sich auch auf den Druckkarten widerspiegelt. Die Windscherung ist bis zur Tropopause sehr schwach ausgeprägt, es weht allgemein ein schwacher Wind aus Nordost.
Was passierte nun in den Höhenschichten?
Oberhalb der Stratusbewölkung ist die Luft sehr trocken, in der Höhe höchstens einzelne, durchbrochene Cirren, die die Ausstrahlung nicht beeinträchtigen. Die Wolkenoberfläche kann dadurch kräftig auskühlen, während es unterhalb der Wolkenschicht wärmer bleibt. Dadurch erfolgt eine Labilisierung der Grundschicht (trocken-kalte Höhenschicht über feuchtwarme Höhenschicht) und seichte Konvektion. An der Obergrenze bilden sich große unterkühlte Wassertröpfchen, da die Temperatur in der Stratusschicht über -12°C beträgt ( darunter Mischung aus Eiskristallen und Wassertröpfchen, unter -20°C überwiegend Eis (ausgenommen bei hochreichender Konvektion) . Infolge der zunehmenden Vertikalbewegung (Konvektion!) fallen die Tropfen nach unten und wachsen dabei auf Kosten der kleineren Tropfen an (Koaleszenz).
Neben den Auswirkungen am Boden spielt gefrierender Regen oder Sprühregen gerade in der Luftfahrt eine wichtige Rolle, da die unterkühlten Tröpfchen auf die Tragflächenvorderseite bzw. die Nase des Flugzeugs prallen und die Aerodynamik durch veränderte Strömungseigenschaften beeinflussen (Verlust an Auftriebskraft durch schwächere Strömung).
Radiosondenaufstiege sind daher ein wichtiges Hilfsmittel zur frühzeitigen Erkennung dieser Gefahren. Zusätzlich kann man anhand der Modellkarten ableiten, dass bei nicht zu kräftigem Hochdruckeinfluss, gerechneter Feuchte in 850hPa (Grundschicht) sowie ggf. vorhandenem Windsprung oberhalb der Grundschicht (Abgleich der Boden- und Höhenwinde) eine Absinkinversion mit ähnlichem Aussehen entstehen wird. Je nach Luftmasse am Boden (T < 0°C) besteht damit eine erhöhte Gefahr für gefrierenden Regen bei Nebel/Hochnebel unter Hochdruckeinfluss.
Gerade bei ausgedehnten Stratusschichten ist ein Sounding auch für größere Gebiete brauchbar, im Gegensatz etwa zu durchbrochener Bewölkung ( Sonde fliegt zufällig durch gesättigte Schicht (Wolke),obwohl die Umgebung wolkenfrei ist => schlechte Grundlage für Wetterprognose)
Im dritten Fallbeispiel möchte ich die Entstehung von unterkühltem Regen in Zusammenhang mit Warmluftadvektion über kalter Grundschicht beschreiben, hierzu der Sondenaufstieg von Emden, 5. Februar 2001, 0z:
Die Sondierung ist ein lehrbuchhaftes Beispiel für eine Warmfront im Winter, bodennah befindet sich eine recht flache Schicht mit negativen Temperaturen, darüber eine markante Warmfrontinversion, die in den positiven Bereich hineinragt, darüber folgt ein nahezu feuchtadiabatischer Temperaturverlauf bis zur Tropopause (welche hier durch eine Isothermie und darüberliegende Inversion gekennzeichnet ist). Aufgrund des geringen spreads ist von einer durchgehenden Wolkenschicht vom Boden bis etwa 600hPa auszugehen, darüber vermutlich aufgelockerte Cirrenbewölkung. Die Winddrehung mit der Höhe nach rechts ist ebenfalls ein Indikator für Warmluftadvektion (bodennah Ostwind, darüber Südwest), hierzu diese Reanalysiskarte von GFS. Emden befindet sich dabei an einer Luftmassengrenze aus advehierter Warmluft aus Südwesten und Kaltluft im Nordosten.
Im Gegensatz zur Wetterlage in München haben wir nun im unteren und mittleren Niveau eine gesättigte Luftschicht (ca. 3km), außerdem eine warme Nase zwischen zwei kalten Höhenschichten. Da die Niederschlagsbildung über der kalten Bodenschicht einsetzt und infolge der gesättigtem umgebung auch kaum Verdunstungsvorgänge herrschen , bilden sich beim Fall in die kalte Schicht große unterkühlte Tropfen , was am gefrorenen Boden zu gefährlichen Glatteisregen mit Eisansatz führen kann, aber auch in der Höhe (z.B. Landeanflug von Flugzeugen, Nase klappt zu früh runter) eine Gefahr darstellt.