Zutaten

Die "zutatenbasierende Vorhersage" ist eine Entwicklung von Chuck Doswell1, die besagt, dass Gewitter nur dann entstehen können, wenn zwei Zutaten gegeben sind: Feuchtlabilität und Hebung. Erweitert auf Unwetter wird die dritte Zutat Windscherung benötigt.

  • CAPE ist keine Zutat! Convective available potential energy existiert nur, wenn genügend Feuchte vorhanden ist und die Luftschicht bedingt instabil (conditional unstable) ist. Genügend Feuchte ohne Instabilität hat man beispielsweise bei einem Warmfrontdurchgang im Winter. Instabilität nützt wiederum nichts, wenn die Luftschicht viel zu trocken ist.
  • Hebung (engl.: lift) ist nicht dasselbe wie Forcing! Ein Antrieb für Hebung ist eine Konvergenzlinie, eine Front, eine Trogvorderseite, Land-See-Windsystem, Talwindsystem ("Umkehrkonvektion'') oder Orographie. Hebung beschreibt hingegen die Aufwärtsbewegung an sich.

Was passiert bei welchen Zutaten?

  • Bei geringer relativer Feuchte in der Grenzschicht entstehen hochbasige Gewitter, die entsprechend anfällig für starke Verdunstungskälte und konvektive Fallwindböen sind.
  • Geringe vertikale Windscherung bei hoher absoluter Feuchte in allen Luftschichten begünstigt ortsfeste Starkregengewitter. 
  • Starker Hebungsantrieb fördert die Vereinigung mehrerer Gewitterzellen zu Multizellensystemen, wenngleichzeitig eine vertikale Windscherung gegeben ist. Letztere bestimmt den Grad der Organisation von Gewitterzellen.

Die gewöhnliche ("ordinary") Einzelzelle entsteht bei schwacher Geschwindigkeitsscherung, während starke Geschwindigkeitsscherung für Multizellen begünstigend ist. Strenggenommen ist diese Unterteilung in der Praxis nicht nachweisbar, da ausnahmslos jede Gewitterzelle eine Multizelle ist, also aus mehreren Aufwindbereichen besteht.

Die Königin der Gewitterzellen, die Superzelle profitiert meist von der Koexistenz von Richtungs- und Geschwindigkeitsscherung sowie von hochreichender Labilität und gewissem CINH (Energie, die aufgewendet werden muss, damit freier Auftrieb ermöglicht wird)

Kommt dazu noch eine starke bodennahe Windscherung und viel Feuchte in der Grenzschicht, so können sich Typ-I-Tornados in Zusammenhang mit Superzellen entwickeln. Bei starkem Auftrieb in der Grenzschicht, hoher relativer Feuchte und windschwacher Umgebung können gewöhnliche Einzelzellen an Konvergenzlinien Typ-II-Tornados hervorrufen.

Exkurs: Elevated Mixed Layer (EML)

In Zusammenhang mit Schwergewittern ist manchmal von der EML die Rede, die man mit gehobener Grenzschicht übersetzen kann, auch entkoppelte, durchmischte Schicht ist zutreffend und vor allem allgemeiner.

Abseits der wissenschaftlich akzeptierten Erklärung kann so eine EML auch folgendermaßen entstehen:

i) Dry Intrusion: Rückseitig eines Sturmtiefs strömt maritime Polarluft ein, die meist ausgeprägte Temperaturabnahmen in der mittleren Troposphäre zeigt. Diese "steep mid-level lapse rates" (im Folgenden MLLR abgekürzt) sind das Hauptmerkmal der EML. In diesem Spezialfall werden die starken MLLR durch trockene Stratosphärenluft hervorgerufen. Sobald diese die bodennahe feuchte Grenzschichtluft überströmt, entsteht potentielle Instabilität. Im Umfeld von Sturmtiefs ist der quasi-geostrophische Antrieb oft stark genug, um die potentielle in bedingte Instabilität umzuwandeln und freizusetzen.

ii) Föhn: Föhn, der nicht bis zum Boden durchgreift, kann eine der EML ähnliche Schicht erzeugen. Durch trockenadiabatisches Absinken im Lee des Gebirges werden starke MLLR erreicht. Diese deckeln die unterliegende feuchtwarme Grenzschicht und hemmen somit Feuchtkonvektion. Isolierte Gewitter wachsen jedoch bei günstigen Scherungsverhältnissen rasch zu Superzellen heran. Bei Südföhnlagen am Alpennordrand bringt etwa jede neunte von zehn Superzellen großen Hagel hervor. Der Verdacht liegt somit nahe, dass die föhnbedingten Trockenschichten Einfluss auf die Großhagelbildung haben. Vorläufig handelt es sich aber hier um empirische Spekulationen meinerseits, da es tatsächlich keine Vertikalprofile aus dem Umfeld von Alpenrandsuperzellen gibt.

Auftreten

Die EML findet man typischerweise im Sommer auf einer Trogvorderseite über dem Atlantik, manchmal auch über dem zentralen Mittelmeerraum. Mit der südlichen bis südwestlichen Höhenströmung wird die trockene Luftmasse von Nordafrika über Spanien und Frankreich bis nach Mitteleuropa advehiert, am Balkan auch auf direktem Wege.

Entstehung

Die EML entsteht nun, wenn über der Sahara oder der 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.

emlgeneration

a) Der Klassiker: Return flow vom Golf von Mexico, der absolut feuchte Luft in den Mittleren Westen der USA advehiert. Gleichzeitig wird über den Great Plains heiße Luft produziert und als EML ostwärts advehiert. Am Überschneidungsort braut sich das gefährliche Wetter in den USA mit Superzellen und Tornados zusammen.

b) Die Blockade: Ohne die Alpen hätte die Mittelmeerluft bei Südanströmung ungehinderten Zugang nach Mitteleuropa und amerikanische Verhältnisse. So aber ist die Feuchtezufuhr etwas abgeschwächter, da zumindest nördlich der Alpen eine gewisse Wegstrecke zurückgelegt werden muss, wobei sich die Luftmasse über Land abtrocknet. Nur in der Zeit der Vegetationsblüte, wenn ein Teil der Feuchtezufuhr durch Evapotranspiration hausgemacht ist, kann man mit anständig hoher absoluten Feuchte rechnen.

Die feuchte Mittelmeerpampe findet nur zwischen Pyrenäen und Westalpen sowie zwischen Ostalpen und Dinariden seinen direkten Weg nach Südfrankreich bzw. in die Pannonische Tiefebene.

Trockene Saharaluft erzeugt die EML im zentralen und östlichen Mittelmeerraum, während in Südwesteuropa und für die Britischen Inseln eher Atlasgebirge und Spanische Hochebene verantwortlich sind.

c) Die Ersatz-EML: Unmittelbar nördlich der Alpen läuft es bei Südföhn anders ab. Eine bestehende EML wird durch Föhn verstärkt bzw. aufrechterhalten. Die bodennahe Feuchtezufuhr erfolgt leetiefbedingt mit Nord- und Ostwind, auch das alpine Pumpen spielt hier eine Rolle. Hagelkörner mit 5-7 cm Durchmesser wurden auch im südbayrischen Alpenvorland schon beobachtet.

Identifikation

eml

Im Radiosondenaufstieg erkennt man die EML leicht am trockenadiabatischen Temperaturverlauf, während der Taupunkt gleichzeitig den Linien gleichen Mischungsverhältnis folgt. Im Beispielfall über Brindisi, Süditalien (links),  ist die EML besonders markant ausgeprägt und wurde zum Balkan nordwärts advehiert, wo Gewitter mit Hagel von 3,5 cm Durchmesser auftraten.

Die Münchner Sonde (rechts) ist schon relativ weit vom Alpenvorland entfernt, dennoch macht sich der Südföhn hier ebenfalls durch eine gewisse Austrocknung und EML-artige Schicht bemerkbar. Wenige Stunden später trat in Rosenheim ein markanter Hageldownburst auf (HP-Superzelle).

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

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 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.

1Doswell, C, A., III, H. E. Brooks and R. A: Maddox, 1996: Flash Flood Forecasting: An Ingredients-Based Methodology. Wea. Forecasting, 11, 560-581.

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