3. Gefahrenpotential von Gewittern

Nachfolgende Reihung entspricht  in etwa der Häufigkeit des Vorkommens bei Gewittern.

Beachte: Hagel und Sturm treten oft gemeinsam auf, da ein günstiges Umfeld für (großen) Hagel auch kräftige Windböen erlaubt. In der Summe sind Schäden durch Sturmböen aber häufiger als durch großen Hagel.

In der ESWD-Datenbank sind vom 20.12.1950 bis 20.12.2011, also über einen Zeitraum von 61 Jahren, folgende Fallzahlen vermerkt (berücksichtigt wurden nur vollständig verifizierte Einträge der Qualitätseinstufung QC 1 und QC 2):

Region Starkregen Sturm Hagel Tornados
Deutschland 1542 2114 1250 976
Österreich 233 256 157 123
Europa 5426 5484 5475 2678

Die Auswertung ist mit einer hohen Dunkelziffer behaftet, da erst seit 1997 verstärkt Daten gesammelt werden und rückwirkende Analysen aufgrund der geringen Mess- und Beobachtungsdichte schwierig sind. Zudem kommt die Revolution der Multimedia-Geräte nach 1995 hinzu, die mit kamerafähigen Mobiltelefonen mehr Beobachtungen erlaubt.

Die Zahlen zeigen jedoch, dass das Tornadorisiko gegenüber den anderen Gefahren zurückfällt, während in Deutschland und Österreich an erster Stelle die Sturmgefahr kommt, nachfolgend Starkregen und Hagel. Europaweit sind die Unterschiede vernachlässigbar, da sich hier Regionen mit unterschiedlichem Gefahrenpotential ausgleichen.

3.1 Blitzschlaggefahr

Kein Wetterdienst warnt vor der Blitzschlaggefahr in Gewittern, sie zählt aber - nomen est omen - zu den Hauptgefahren in Gewittern. In Österreich wurden in den vergangenen 20 Jahren durchschnittlich 150 000 Blitze pro Jahr registriert. Bei der Mehrzahl der Blitze handelt es sich um negative Blitze, wobei diese im Sommerhalbjahr häufiger sind (85-90%) als im Winter (50%), wo jeder zweite Blitz ein positiver Klescher ist 1.

Grundsätzlich kann jeder Erdblitz Schaden anrichten, die positiven Blitzeinschläge werden aber als besonders laut und bebend wahrgenommen. Ein einziger Einschlag in eine Stromleitung kann großen Schaden anrichten: Haushaltsgeräte, Brände. Im freien Gelände besteht Lebensgefahr! Einfache Verhaltensregeln können das Risiko, vom Blitz getroffen zu werden, minimieren.

Erhöhter Blitzschlaggefahr ausgesetzt sind besonders Wanderer, die unvermutet oder leichtsinnig ins Gewitter geraten, Schwimmer und Jogger auf dem freien Feld.

Erdblitzreiche Gewittern sind nach BRIGHT ET AL (2005) 3 begünstigt, wenn...

  • das LCL (Wolkenuntergrenze) wärmer als -10°C ist (bodennahe Quelle für unterkühltes Wolkenwasser ist gewährleistet)
  • das EL (ca. Wolkenobergrenze) ist kälter als -20°C (Eiskernbildung)
  • CAPE über 100-200 J/kg in der 0 bis -20°C-Schicht erreicht (genügend Aufwind für Elektrifizierung).

VAN DER BROEKE (2005) 2 korrigiert das dritte Kriterium auf -10°C bis -20°C.

3.2 Sturmböen

Die Gefahr kräftiger Windböen ist bei Gewittern am höchsten, da die Bedingungen für Sturmböen fast immer gegeben sind.

Im Sommerhalbjahr durch gut durchmischte Grenzschichten (hohe Taupunktsdifferenz in den untersten 1-2 km) und entsprechender Verdunstungskälte, sowie durch das Schmelzen von Hagel (starker Entzug von Umgebungswärme) und die Niederschlagslast.

Im Winterhalbjahr durch die höhere Windscherung (z.B. Sturmtiefs) und häufigere Ausbildung von Schauer/Gewitterlinien, sodass die starken Höhenwinde nahezu 1:1 zum Boden herabtransportiert werden.

Seltener sind hochreichend gesättigte und windschwache Verhältnisse, die mangels Verdunstungskälte und Impuls keine starken Abwinde produzieren können (dafür Starkregen hervorrufen, s.u.).

Das größte Windrisiko besteht an linienförmigen Gewittern, wie den Bogenechos (Bow Echos), Böenlinien (Squall lines) und Kombinationen aus beidem (Line Echo Wave Pattern, LEWP). Davon abgesehen zählen Superzellen zu den größten Windmachern, insbesondere in Zusammenhang mit sehr großem Hagel (feuchte Downbursts), eine Kombination, die jeden Sommer im Alpenvorland auftritt und sich vom Allgäu bis zum Chiemgau- und Flachgau erstreckt.

Als Windverstärker ist hier der Föhn zu nennen, der auch vermeintlich harmlose Gewitterzellen Sturmböen produzieren lässt, wenn Niederschlag in die trockene Föhnluft fällt und verdunstet (das Windrisiko im Inntal ist deutlich höher als Hagel- und Starkregenrisiko).

3.3 Starkregen

Gewitter gehen häufig mit starkem Regen einher, der je nach Intensität (Menge pro Zeitraum) und Unterlage (versiegelte Flächen, steiles Gelände) zu Sturzfluten und Überschwemmungen führen kann.

Besonders gefährdet sind Regionen mit Oberflächenversieglung, z.B. Betonflächen (Stadt), Kanäle oder Ackerflächen, und/oder im steilen Gelände, wenn das Wasser rascher abfließt als es versickern kann. Das klassische Einzelzellengewitter wie ein abendliches Wärmegewitter oder das Superzellengewitter bringen lokalen Starkregen, während Multizellengewitter bis hin zum mesoskaligen konvektiven System (MCS) über eine größere Fläche und über einen längeren Zeitraum Starkregen verursachen.

Die Starkregengefahr ist zusätzlich erhöht bei langsam ziehenden oder gar ortsfesten Gewitterzellen, also bei geringer Höhenströmung und mit orographischer Hebung (Stau), insbesondere wenn die Luftmasse einen hohen absoluten Feuchtegehalt hat. Dieser ist aufgrund der Alpenbarriere eher südlich der Alpen in Mittelmeernähe anzutreffen, in Österreich vor allem von Kärnten über die südliche Steiermark bis zum Süd- und Mittelburgenland.

3.4 Hagel

Hagel und Sturm treten meist gemeinsam auf, da für großen Hagel (> 2 cm) vertikale Windscherung vorhanden sein muss, die wiederum eine Zuggeschwindigkeit voraussetzt, somit auch Höhenwinde und eingelagerte Trockenschichten in der Atmosphäre. Allerdings zu starke Höhenwinde kontraproduktiv, weil die durch den Aufwind nach oben transportierten Hydrometeore/Hagelembryos durch den Wind abgeweht werden und nicht mehr in den Rezirkulationsprozess einbezogen werden können.

Folgende Faktoren begünstigen großen Hagel:

  • niedrige Nullgradgrenze der Feuchttemperatur (2,2 bis 3,2 km)
  • hohe Energie (CAPE > 2000 J/kg)
  • hohe Windscherung (0-6 km: > 10 m/s)
  • hoher Flüssigwassergehalt (PWAT > 30 mm), insbesondere in der -10 bis -30°C-Schicht

Langsam ziehende Multizellen können bis ca. 5 cm großen Hagel verursachen, bei Superzellen ist das Ende nach oben hin offen. Rekordverdächtig großer Hagel ist in Europa bei 14 cm angesiedelt (2.7.1984: München), in den USA bei rund 20 cm (23.7.2010: Vivian, South Dakota).

Auffällig bei Großhagelereignissen ist das Vorhandensein einer EML (elevated mixed layer), die sich dank spezieller Gewittervorhersagekarten und Vorhersage-Soundings gut prognostizieren lässt.

Beispiel: 8. Juni 2011

 eml

Heiße und trockene Luft aus Nordafrika strömt mit Südwestwind zum Balkan, im Radiosondenaufstieg von Brindisi (Italien) sichtbar anhand der trockenadiabatischen Temperaturschichtung zwischen 800 und 700 hPa. In den Lightningwizardkarten dargestellt mit den 2-4 km lapse rates. Je rötlicher, umso trockener die Luftmasse. Nach dem letzten Update auf der Seite wurden die 2-4 km lapse rates durch "Warm Layer to 500 hPa Temperature lapse rate" ersetzt.

Folgen: 7 cm großer Hagel in Südrumänien und 3,5 cm in Serbien.

3.5 Tornados

Bezogen auf die zuvor genannten Risiken ist die Gefährdung durch Tornados sehr geirng, Selbst bei einem großem Tornadoausbruch im Mittleren Westen der USA überwiegen in der Absolutzahl die Großhagel-, Downburst- und Sturzflutereignisse bei Weitem. Die Besonderheit gegenüber Europa ist die Intensität von Frontdurchgängen. Klimatologisch gesehen sind Kurzwellentröge und Bodentiefs ausgepräger als in Europa - verursacht durch die Rocky Mountains, die gewaltige Leetröge hervorrufen, und durch die fehlende Barriere zu Kanada, wodurch sehr kalte Luft nach Süden strömen kann. Von Grund auf herrscht eine stärkere Windscherung, während in Europa die Mischung aus extremer (bodennaher) Windscherung und viel Energie seltener ist.

3.5.1 Typische Tornado-Outbreak-Situation in den USA

tornados usaDie Wetterlage am 3.April 1974 etwa einen Tag vor dem größten registrierten Tornado Outbreak in der Geschichte der USA:

Sehr feuchte Luft (grün) strömt aus der Golfregion nach Norden, gleichzeitig wird von den Great Plains heiße, trockene Luft (gelb) in mittleren Schichten herangeführt. Die Vertikalprofile über den Great Plains zeigen sehr hochreichende Grenzschichten (5-6 km), die entkoppelt ("elevated mixed layer" = EML) vom Boden mit der kräftigen Westströmung ostwärts verfrachtet werden. Die Luft aus dem Golf von Mexiko ist zwar feucht, aber durch den Höhenrücken stark gedeckelt. Beide Luftmassen sind isoliert betrachtet nicht fähig, Gewitter zu erzeugen (trocken/gedeckelt).

Vierundzwanzig Stunden später überlagerte jedoch die EML die feuchte Bodenluft. Wird nun die gesamte Luftsäule gehoben, kühlt die trockene Luft stärker als die feuchte Luft ab (trockenadiabatisch vs. feuchtadiabatische Temperaturänderung), potentielle Energie wird erzeugt.

Mit dem herannahenden Kurzwellentrog wurde die potentielle Energie freigesetzt, in der Folge bildeten sich zahlreiche Superzellen und insgesamt 148 Tornados, darunter 24 Tornados der Stärke F4 (> 333 km/h) und 6 Tornados der Stärke F5 (> 419 km/h). 330 Menschen starben, über 5000 Verletzte wurden gezählt.

Im Gegensatz zu zahlreichen Darstellungen in den Medien treffen hier nicht zwei unterschiedlich temperierte Luftmassen aufeinander (auch "clash of air masses" genannt), sondern zwei unterschiedlich feuchte Luftmassen werden überlagert. Die für tornadische Superzellenbildung notwendige Windscherung liefern Jetstream ("Deep-Layer Shear") und Bodentief ("Low-Level-Shear").

Der Outbreak erfolgt schließlich unmittelbar vor Kaltfrontdurchgang in südwestlicher Strömung (= Hauptzugrichtung von Tornados in den USA) nahe dem Okklusionspunkt, im Bereich der stärksten Hebung.

3.5.2 Tornado-Outbreak-Situationen in Europa

In Europa ist die Topographie viel komplexer als in den USA: Weite Teile Mitteleuropas bestehen aus Mittelgebirgen, zudem ist die Feuchtequelle Mittelmeer durch Zentralmassiv, Alpen und Dinariden vom Kontinent abgeschirmt. Dafür besitzt Europa sehr viel Wald und damit hausgemachte Feuchte durch Evapotranspiration zur Wachstumszeit der Vegetation, die dem Mittleren Westen fast völlig fehlt.5

tornados europa

Ebenso wie in den USA existiert in Europa eine Zone gehäuften Tornadovorkommens entlang einer "Alley", wie die ESWD-Datenbank belegt. Sie reicht von Südengland, Nordfrankreich, Belgien, Niederlande, Nordwestdeutschland über Südschweden bis Südostfinnland. Diese Regionen liegen klimatologisch gesehen in der Nähe zum Polarfrontjet und damit im Wirkungsbereich von Jetstreams und kräftiger Bodentiefs. Auch wenn extreme CAPE-Mengen über 3000 J/kg selten sind und noch seltener freigesetzt werden, sind starke Tornados bekannt, z.B. 1764 in Woldegk, Mecklenburg-Vorpommern (F5/T11) oder 1968 in Pforzheim, Baden-Württemberg bzw. jüngst 2008 in Hautmont, Nordfrankreich (beide F4/T8).

In den anderen Regionen gibt es regionale Häufungen, oft in Zusammenspiel von Meeresluft und Gebirgsströmungen (Föhn), z.B. in der Poebene, in der südlichen Steiermark bis zum Wiener Becken sowie im östlichen Rumänien und nahe dem Schwarzen Meer. Speziell in Südostfinnland sind Kurzwellentröge im Lee des skandinavischen Gebirges oft verschärft. Im Jahr 2011 traten dort ca. 40 Tornados auf. 

In Deutschland ist die typische Situation ein Trog über Westeuropa mit starker Südwestströmung an der Vorderseite. Ein flaches Bodentief zieht daran nordostwärts und sorgt bodennah für rückdrehende Winde, die tornadische Windscherung erzeugen. Feuchtequelle sind das Mittelmeer und die erwähnte Evapotranspiration, die EML wird durch das Atlasgebirge, die Spanische Hochebene sowie durch das Absinken nordöstlich der Pyrenäen lukriert.

1 Aldis - Statistik zur Polarität von Blitzen in Österreich

2 Van der Broeke et al.(2005), Cloud-to-Ground-Lightning Production in Strongly Forced, Low-Instability Convective Linies Associated with Damaging Wind

3 Bright et al. (2005), A physically based parameter for lightning prediction and its calibration in ensemble forecasts

5 Welt der Physik: Wo wachsen die höchsten Bäume? 

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