Vorhersage

Die nachfolgende Checkliste richtet sich an Stormchaser und Vorhersager, die auf detaillierte Gewitterprognosen angewiesen sind. Bestenfalls stehen Lokalmodelle (WRF, ARW, NMM) und Vorhersage-Aufstiege für beliebige Orte zur Verfügung. Nichtsdestotrotz lassen sich bereits aus den Globalmodellen recht zuverlässige Aussagen zum Auftreten hochreichender Feuchtkonvektion treffen.

1. Herangehensweise

1.1 "Index-based forecasting"

Die alte Schule der Meteorologen bedient sich des "index-based forecasting", darunter Total-Totals (TT), Konvektiv-Index (KO), Showalter Index (SI) sowie der groben Abschätzung durch die Temperaturdifferenz zwischen der 500 hPa- und 850 hPa-Druckfläche. Zwar lassen diese Angaben Aussagen über die Instabilität einer Luftschichtung zu, weniger aber über zu überwindende Absinkinversionen ("Deckel") und überhaupt nicht zur Windscherung! Die Schwere von Gewittern lässt sich aber nur (!) unter zusätzlicher Betrachtung der Windscherung einschätzen.

Längst gibt es mittlerweile Indizes, die auch die Scherung berücksichtigen, z.B. Storm-Relative Helicity (SRH), Significant Tornado Parameter (STP), Supercell Composit Parameter (SCP), usw. Was die Indizes jedoch nicht ersetzen, ist ein kritischer Blick auf den Antrieb für Gewitter, d.h., auf die Höhen- und Bodenwetterkarten (Vorticitymaxima, Konvergenzlinien) sowie auf die Vorgeschichte (Outflow Boundaries vom Vortag).

Auch zeigen die Indizes nicht zwingend, ob sich später günstige Konstellationen entwickeln, die die Gewitterbildung erlauben.

1.2 "Ingredients-based Forecasting"

Die auf Zutaten fußende Vorhersage geht zurück auf

  • zwei Zutaten für Gewitter: CAPE (Feuchtlabilität) und Hebung
  • drei Zutaten für Schwergewitter: CAPE, Hebung und Windscherung

Die größte Labilität nützt nichts, wenn zu wenig Feuchte vorhanden ist, um Wolken zu bilden. Umgekehrt nützt reichlich Bodenfeuchte nichts, wenn die Höhe stabil geschichtet ist. Um CAPE zu erhalten, müssen sich Feuchte und Labilität überschneiden.

1.2.1 Quellen für Feuchte

autochthon

  • Evapotranspiration
  • (größere) Seen, Sumpfgebiete und Meere
  • Waldreiche Regionen

allochthon

  • Hebung durch Kurzwellentrog (Feuchte in mittleren Höhen)
  • Advektion an der Trogvorderseite (Feuchte in Bodennähe)

Modellparameter:

  • Taupunkte
  • Mischungsverhältnisse
  • PWAT 
  • LCL, LFC

1.2.2 Quellen für (potentielle) Labilität

  • Sonneneinstrahlung
  • Kaltluftadvektion in der Höhe
  • Advektion trockener über feuchterer Grenzschichtluft (EML, Föhn)
  • Warmluftadvektion in der Grenzschicht

Modellparameter:

  • CAPE + Lifted Index, CINH, Cloud Tops, 2-4 km lapse rates
  • Temperatur/Bewölkung/Feuchte in verschiedenen Höhen
  • Windrichtung und -stärke in der Höhe (Föhn)

1.2.3 Quellen für Windscherung

  • Sturmtief
  • Leetief
  • Föhn
  • Orographie (z.B. Channeling)

Modellparameter:

  • 10m-Wind
  • 0-1km- (0-2km-) Wind: Low-Level-Shear (LLS)
  • 0-6 km- Wind: Deep-Layer-Shear (DLS)
  • 0-3 km- Storm-Relative-Helicity (SRH)

1.2.4 Quellen für Hebung

  • Quasi-geostrophisch (QG): Kurzwellentröge
  • Orographie (upslope-flow)
  • Sonneneinstrahlung
  • Outflow Boundaries
  • Fronten

Modellparameter:

  • differentielle Vorticityadvektion, 300/500 hPa Geopotential
  • Isentrope Potentielle Vorticity (IPV)
  • 850 hPa Thetae (Fronten)
  • 10 m Stromlinien/Wind (Konvergenzen)

1.2.5 Spezialfälle

Nicht abgedeckt durch die obige Auswahl an Parametern ist entkoppelte (elevated instability) und symmetrische (conditional symmetric instability, CSI) Instabilität. Bei erzwungener Hebung am Tag ist oft auch Sonneneinstrahlung (Grenzschichtprozesse) beteiligt, während in der Nacht ausschließlich erzwungene Hebung für Gewitterbildung verantwortlich ist. Dann sind u.a. MUCAPE sowie Thetae-Differenzen in höheren Luftschichten von Bedeutung.

Schwieriger wird es zudem, wenn CSI beteiligt ist, was bei durchwegs gesättigten Luftschichten und hochreichender Windscherung der Fall ist. Hier ist die Prognostik in Europa noch nicht ausgereift, da CSI hierzulande kaum bekannt ist.

2. Eine erkannte Gewitterlage ist keine Gewitterlage

Der Blick auf die Modellkarten war eindeutig: Die Zutaten sind alle vorhanden, der Trog nähert sich ... und überraschenderweise passiert gar nichts oder weniger als erwartet. In vielen Fällen kann man folgende Faktoren für den Fehlgriff der Vorhersage verantwortlich machen, die meist zusammenwirken und nicht eindeutig trennbar sind:

  • zu starker Deckel
  • zu wenig Einstrahlung durch Restwolken nächtlicher Gewitter
  • zu hohe Auslösungstemperatur durch überschätzte Taupunkte
  • Scherung und Labilität überlappen sich nicht.

3. Wann gibt es welchen Modus (Anordnung) der Gewitter?

Gewitter existieren unabhängig der Tageszeit in verschiedenen Formen - einzeln, als Linie, in Gruppen sowie als großes System.

3.1 Lineare konvektive Systeme

  • Bow Echos
  • Squall line
  • Kombination aus beidem: Line Echo Wave Pattern (LEWP)

Lineare konvektive Systeme in größerem Ausmaß werden dann begünstigt, wenn der Kurzwellentrog viel Krümmungsvorticity freisetzt, also die Trogachse scharf gekrümmt ist und ein heftiges Vorticitymaximum vorliegt. Damit einher geht bodennah viel Wind durch die resultierende bodennahe markante Tiefdruckentwicklung sowie ein ausgeprägter horizontaler Luftmassenunterschied (linearer Hebungsantrieb). Meist entstehen Gewitterlinien an einer zur Kaltfront vorlaufenden Konvergenz und entwickeln eine Eigendynamik. Diese ist insbesondere dann verstärkt, wenn die Luftschichten relativ trocken und dennoch deutlich instabil sind.  Durch Verdunstungskälte bildet sich ein Cold Pool, der die Temperaturgegensätze der Linie verstärkt. Zudem sorgt die Abschattung durch den vorauseilenden Gewitteramboss für die barokline Bildung horizontaler Vorticity.

3.2 Gruppengewitter und -systeme

  • Multizellencluster
  • Mesoskaliges konvektives System (MCS)
  • Mesoskaliger konvektiver Komplex (MCC)

Das Pendant zu den Linien sind die Gruppen, die dann bevorzugt sind, wenn die Gewitter innerhalb des Warmluftregimes entstehen und die bodennahe Windscherung nicht stark genug ist, um Linien zu entwickeln. Die hochreichende Windscherung sollte dennoch stark sein, damit die Einzelzellen zu Multizellencluster verschmelzen und ein größeres, zusammenhängendes Gewittergebiet bilden. Bevorzugt sind diese Systeme abseits der stärksten Sonneneinstrahlung, wenn sich durch die Auskühlung der Grenzschicht ein Low-Level-Jet bildet, der als eine Art "moisture conveyor belt" fungiert. Weiters sollte reichlich CAPE und wenig CINH vorhanden sein, um verbreitete und heftige Auslösung zu ermöglichen. Sofern die Gewitter nicht elevated entstehen, wird man Cluster und Systeme am späten Nachmittag und Abend erwarten dürfen.

MCC stellen die "Könige" der Systeme dar, mit der größten horizontalen und oft auch vertikalen Ausdehnung. In den gemäßigten Breiten treten sie eher selten auf, in Europa gab es in den vergangenen 20 Jahren maximal 2 Fälle eines MCCs, durch Satellitenbilder belegt zuletzt im Sommer 1992. In tropischen Regionen sind MCC als Manifestierung der "Easterly Waves" hingegen die Brutstätte für Tropenstürme.

3.3 Einzelzellengewitter

Der Einfluss der Windscherung entscheidet darüber, ob es sich um harmlose Gewitter oder um Schwergewitter handelt. Strenggenommen existieren Einzelzellen nicht, da jedes Gewitter in den verschiedenen Stadien seiner Entwicklung mehrere Aufwindzentren besitzt. Zur Vereinfachung soll aber von jenen Gewittern ausgegangen werden, die im Radar nur einen konzentrierten Niederschlagskern besitzen.

3.3.1 Gewöhnliche Einzelzellengewitter

Typisch hierfür sind generell winterliche Troglagen mit schwacher Windscherung in allen Schichten, aber ausgeprägtem Kaltluftkörper in der Höhe und somit viel Auftrieb in der unteren Troposphäre. Aprilwetter ist die Folge: Bei geringem CINH entstehen zahlreiche Schauer und Gewitter, die kurzzeitig Starkregen, kleinen Hagel oder Graupel und stürmische Böen zur Folge haben. Schadbringend sind sie mangels vertikaler Ausdehnung aber oft nicht.

Anders schaut es aus, wenn bei flachen Druckverhältnissen im Früh- oder Hochsommer verbreitet Gewitter entstehen. Die ortsfeste Lage bzw. langsame Zugbahn begünstigt größere Regenmengen und Überflutungen, selbst wenn das Gewitter an sich harmlos ausfällt.

Insbesondere im Gebirge sind diese isoliert stehenden Wärmegewitter gefürchtet, sie können in steilem Gelände Muren, Erdrutsche und Sturzbäche auslösen.

Gewöhnliche Einzelzellengewitter können bei viel Auftrieb und windschwacher Umgebung zu Bildung der Typ-II-Tornados führen.

3.3.2 Superzellen

Die Weiterentwicklung des profanen Einzelzellengewitters ist die Superzelle. Sie benötigt Richtungs- und Geschwindigkeitsscherung. Die Richtungsscherung kann einerseits (in den meisten Fällen) durch eine Winddrehung und -zunahme mit der Höhe erlangt werden, andererseits auch bei einer deutlichen Abweichung der Gewitterzugbahn vom Umgebungswind ("die Zelle sammelt Helicity").

Günstig ist weiterhin gewisser CINH, sodass die Energie nicht auf zu viele Gewitterzellen verteilt wird und nicht zu viele störende Gewitter in der Umgebung vorhanden sind, mit der die Superzelle kollidieren könnte. Somit sollte das Forcing nicht zu intensiv sein, weil sonst gruppige bzw. linienhafte Systeme bevorzugt sind.

Bei genügend bodennaher Scherung (LLS > 10 m/s) sind Typ-I-Tornados möglich.

4. Welche Gefahr besteht bei welchem Modus?

Je nach Anordnung der Gewitter sind folgende Gefahren (mit der Reihenfolge der Gewichtung) dominant :

  • Linien: geradlinige Winde, meist kleiner Hagel, kurzzeitig Starkregen, vereinzelt Tornados
  • gruppig: Starkregen, teils großer Hagel, geradlinige Winde
  • einzeln: als Superzelle Starkregen, großer Hagel und geradlinige Winde, bei genügend bodennaher Scherung Tornados, als hochbasige Einzelzelle auch trockene Downbursts

Die einzelnen Gefahren lassen sich weiter aufschlüsseln:

4.1 Starkregen

  • Intensität und Dauer entscheiden über die Sturzflutgefahr
  • Stationäre oder langsam ziehende, sich regenerierende und schleifende Gewitterzellen sowie Gruppengewitter mit großer Ausdehnung in Verlagerungsrichtung.
  • Förderlich sind viel CAPE und hoher PWAT und nicht zu hohe Windscherung, um HP-Superzellen zu ermöglichen.
  • mit fortschreitendem Tagesgang werden die Gewitter outflowdominant und das Starkregenrisiko verdrängt alle anderen Risiken

4.2 Wind

  • Verdunstungskälte - bodennah sehr trockene Luft, z.b. auch durch Föhn
  • Abkühlung durch Schmelzen - Multi- undSuperzellen mit Hagel
  • Wassergewicht - Feuchte Downbursts - Multi- und Superzellen
  • Vertikaler Impulsfluss - starke Hintergrundscherung
  • Druckstörungseffekte - Superzelle

4.3 Hagel

Wie groß der Hagel am Boden ankommt, hängt nicht zuletzt vom Wind in Ambosshöhe ab (werden die Hydrometeore aus dem Amboss geweht, stehen sie somit nicht mehr für die Rezirkulation zur Verfügung) und von der Feuchteverteilung in tieferen Luftschichten. Bei zu trockener Luft verdunstet der Hagel, bei zu warmer Luft schmilzt er. Andererseits bedeutet warme Luft auch hoher Flüssigwassergehalt, der zu einem raschen Wachstum der Hagelembyros führt.

Faktoren:

  • viel Auftrieb in der unteren Troposphäre: 0-3 km MLCAPE > 100 J/kg, 0-3 km SRH > 100 J/kg, durch Einstrahlung gestützt
  • hohe absolute Feuchte in der Grenzschicht: hoher PWAT bzw. hohe Taupunkte/Mischungsverhältnisse
  • moderate bis starke Windscherung: langlebige Gewitterzellen (mehrfache Hagelzyklen)
  • Nullgradgrenze der Feuchttemperatur zwischen 7 000 und 10 000 Fuß
  • viel Flüssigwasser zwischen -10°C und -30°C (im Vertikalprofil)

4.4 Tornados

Tornados lassen sich unterteilen in Typ-I- und Typ-II-Tornados.

4.4.1 Typ-I-Tornados

  • niedrige Wolkenuntergrenzen (< 1500 m)
  • wenig CINH
  • starker bodennaher Auftrieb
  • LLS > 10 m/s
  • DLS > 15 m/s (Superzellen

4.4.2 Typ-II-Tornados

  • hochreichend windschwach (< 10 m/s)
  • bodennahe Konvergenzlinien
  • viel 0-3 km Auftrieb und niedrige Wolkenuntergrenzen

Gewissermaßen eine Hybridform stellen Tornados dar, die an Böenlinien entstehen. Hier können kurzlebige Meso- oder Misozyklonen beteiligt sind oder weitere Prozesse, die horizontale Vorticity in die Vertikale kippen.

5. Last, but not least 

Bei der Gewitterprognose ist es möglicherweise hilfreich, auf Persistenz zu setzen und sich zu überlegen, was sich gegenüber dem Vortag geändert hat. Regionen, die heute Gewitter hatten, können morgen erneut Gewitter haben. Das gilt insbesondere bei schwachgradientigen Lagen mit orographischem Antrieb.

Überlappen sich die Zutaten wirklich oder grenzen sie nur aneinander?

Bei Lagen mit hoher Scherung wurde CAPE oft schon vorher verbraucht - bei Lagen mit hohem CAPE ist die Auslösungstemperatur oft zu hoch. Die Kombination von extremer Scherung und CAPE ist äußerst selten, in Mitteleuropa ist der Fall mäßig CAPE und viel Scherung am häufigsten. CAPE-Werte über 3000 J/kg kommen selten vor.

Lokalmodelle suggerieren eine Genauigkeit, die nicht immer zutrifft.

Nach Fehlprognosen sollte man möglichst anhand von Stationsdaten und Vertikalprofilen nachvollziehen können, warum etwas nicht gepasst hat.

ESTOFEX ist in Europa das Maß aller Dinge - dort sind Experten am Werk. Natürlich können auch diese sich irren, aber ESTOFEX ist als "first guess" empfehlenswert. Das regionale "Downscaling" obliegt dem Lokalmeteorologen.

Ein Vorhersager ist nur so gut wie die Annahmen, auf denen er sich stützt.

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