Winterniederschlag

Einleitung

Die Zustandsformen von Niederschlag im Winter vorherzusagen stellt für die Meteorologen immer wieder eine große Herausforderung dar. Entscheidend dafür ist nämlich der Temperatur- und Feuchteverlauf mit der Höhe, wo schon geringfügige Höhenänderungen darüber entscheiden können, ob Eiskörner, Schneefall oder gefrierender Regen herauskommt. Große Hoffnung wird in der modernen Synoptik in die Entwicklung der Lokalmodelle, die von Globalmodellen angetrieben werden, gesetzt. Sie weisen eine genügend hohe Auflösung auf, um den vertikalen Temperatur- und Feuchteverlauf exakt zu erfassen, zumindest in der Theorie. In der Praxis stecken die Modelle noch in den Kinderschuhen und wie gut sie die Art des Niederschlags vorhersagen können, werden erst Jahre der Erfahrung zeigen.

1. Schneefall:

Wenn Eiskristalle aus großer Höhe in eine Wolkenschicht mit unterkühltem Flüssigwasser fallen, lagern sich wegen des erniedrigten Sättigungsdampfdruck über Eis die Wolkentröpfchen an den Eiskristallen an und Schneeflocken sind die Folge.

1.1 Gewöhnlicher Schneefall

Der klassische Schneefall entsteht, wenn wärmere Luft auf kälterer Luft aufgleitet (Warmfront) und dieser Prozess durchwegs bei negativer Temperatur stattfindet, d.h. keine Schmelzprozesse stattfinden. Der für Meteorologen angenehmste Fall, da er sich mit potentieller Glatteisgefahr nicht herumschlagen muss.

schneefall

Beispiel: 1. Dezember 2010 in der südlichen Steiermark

Das Sounding zeigt einen Temperatur/Taupunktsverlauf durchwegs im negativen Bereich, wobei alle Höhenschichten sehr feucht oder gar gesättigt sind. Oberhalb rund 2000 m gleitet Warmluft auf einer mächtigen Kaltluftschicht auf.

Beständige Hebungsprozesse sorgen für einen kontinuierlichen Ausfall von Eiskristallen aus höheren Luftschichten, die in die gesättigte Schicht unterhalb 3000 m fällt.

Starker Schneefall über Stunden hinweg mit über 10 cm Neuschnee war die Folge.


1.2 Schneefall bei Plusgraden

Positive Temperaturen und Schneefall schließen sich nicht aus. Es kann auch bei deutlichen, sogar zweistelligen Plusgraden reinen Schneefall geben. Entscheidend ist die Feuchteverteilung mit der Höhe. Eine sehr trockene Luftschicht in Bodennähe sorgt für eine bestenfalls sehr niedrige Nullgradgrenze der Feuchttemperatur.

Die Feuchttemperatur ist diejenige Temperatur, die an einem feuchten Thermometer gemessen wird. Sie ist ein Maß für die Verdunstung in der Luft. Durch die Verdunstung wird der Umgebungsluft Wärme entzogen, weswegen die Feuchttemperatur immer niedriger als die Lufttemperatur (der trockenen Luft) ist. Je größer die Differenz zwischen Trocken- und Feuchtthermometer, desto trockener ist die Luft, und desto tiefer herab kann es bei Plusgraden schneien, im Extremfall bis zum Boden herab.

schneefall2Beispiel: 27.Januar 2008 in Baden-Württemberg

Die Vorgeschichte mit einem markanten Höhenrücken und starkem Absinken führte zu ungewöhnlich trockener Luft in tiefen Schichten.

Von Nordwesten zog ein flaches Tief mit nicht abgeschlossener Kernisobare (= Welle) über Süddeutschland und Alpenraum hinweg, sodass die oberen Luftschichten stark angefeuchtet wurden.

 

Der Niederschlag fiel nun in die extrem trockene Schicht mit Nullgradgrenze der Feuchttemperatur rund 400 m oder weniger über Grund.

 

Schneefall bei teilweise zweistelligen Lufttemperaturen war die Folge.


1.3 Industrieschneefall

Ein Spezialfall von Schneefall ohne Beteiligung von Tiefdruckeinfluss stellt Industrieschnee dar. Er setzt voraus:

  • länger andauernde Hochdrucklage mit Dauerfrost am Boden und milder Luft in der Höhe
  • Temperatur zwischen -5 und -8°C in 200 m Höhe (empirischer Wert)
  • genügend Feuchte in Bodennähe (dichter Nebel)
  • Künstliche Kondensationskeime (Rußpartikel) + Wasserdampf durch Industrieanlagen

Die künstlichen Aerosole fungieren als Ersatz für die fehlende Eiswolken in höheren Luftschichten. Die unterkühlten Wolkentröpfchen treffen nun auf die Rußpartikel und bilden Schneekristalle, die wegen der kurzen Fallstrecke nicht verdunsten und zu Boden fallen. Zudem sorgt die kurze Fallzeit für feinen, nadeligen Schneefall, der lokal begrenzt - nahe Industrieanlagen - auftritt, und somit von gewöhnlichem Schneefall eindeutig unterscheidbar ist.

22dezember2007Beispiel: 20.Dezember 2007 in den Niederlanden und Nordwestdeutschland

Der wohl berühmteste Fall der letzten Jahre wurde dank hochaufgelöster Satellitenbilder eindrucksvoll dokumentiert.

Zwei Tage vor der gezeigten Aufnahme von TERRA vom 22.12.2007 gab es flächendeckend eine Stratusdecke, die für den notwendigen Wasserdampf sorgte.

Die hellen Flecken zeigen teils beträchtliche Mengen an Industrieschnee (10 cm und mehr, örtlich sogar über 20 cm) in der Nähe von Städten und Industrieanlagen.

Satellitenbildquelle: http://lance.nasa.gov/imagery/rapid-response/

Bilder mit den Auswirkungen am Boden: http://www.skystef.be/20071222.htm


2. Graupel

Eine Übergangsform zwischen Regen und Schneefall, manchmal auch zu Beginn länger andauernden Schneefalls auftretend, stellt Graupel dar.  Graupel ist ebenso wie Hagel konvektiver Natur, bedingt also eine labile Schichtung. Der Hauptunterschied zwischen Graupel und Hagel ist seine Konsistenz, nicht seine Größe. Zwar kursiert in Fachbüchern und im Internet immer wieder der Schwellenwert 0,5 cm, doch kennt die Natur in der Regel keine absoluten Grenzwerte. Graupel ist undurchsichtig, porös, schaut aus wie Styropor und zerfällt beim Aufprall teilweise, während Hagel aus festem Eis besteht, bei trockenem Wachstum undurchsichtig ist und beim Aufprall nicht zerspringt.

Die Unterschiede kommen natürlich durch die Entstehung zustande. Um beim Winterniederschlag zu bleiben: Die Abgrenzung zum Schneefall resultiert aus der labilen Schichtung. Die kräftigen Aufwinde sorgen im Gegensatz zur stabilen Schichtung mit geringen Aufwinden dafür, dass die Eis- bzw. Schneekristalle mehrfach mit Wolkentröpfchen kollidieren, sodass sich Kristallklumpen bilden. 

graupelBeispiel: 10.Dezember 2011 in Schleswig-Holstein

Beim Durchzug eines markanten Höhentrogs über Skandinavien sorgt Höhenkaltluft für kräftige Schauer, dabei wird auch Graupel beobachtet.

Der Sondenaufstieg von Bergen zeigt eine potentiell instabile Luftschichtung bis rund 600 hPa, wo die Absinkinversion liegt.

Unterkühltes Wasser ist reichlich vorhanden, zudem nur die Bodenschicht im positiven, da durch den kräftigen Wind durchmischten, Bereich liegt.


3. Eiskörner

Hagel und Graupel darf man nicht mit Eiskörnern verwechseln, die dann entstehen, wenn unterkühlte Regentropfen in eine so mächtige Kaltluftschicht am Boden fallen, dass sie während dem Fallen wieder gefrieren. Dies geschah in weiterer Folge des unter 1.1. gezeigten gewöhnlichen Schneefalls, als immer wärmere Luft in der Höhe advehiert wurde.

Beispiel: 1. Dezember 2010 von Nordkroatien bis zur südlichen Steiermark

eiskoernerIm unter 1.1. gezeigten Aufstieg befand sich die Warmluftnase knapp unter 700 hPa bei ca. -4°C. Bis zur Mittagszeit arbeitete sich die Warmluft bis auf 800 hPa und +4°C vor, d.h. die Warmluftschicht erwärmte sich um bis zu 8 Kelvin und sank gleichzeitig um rund 800 m ab.

Darunter befand sich aber weiterhin eine mächtige Frostschicht von über 1500 m Dicke. Unterkühlte Regentropfen aus der warmen Nase fielen also in eine frostige Luftschicht und froren zu Eiskörnern an. Wurde um 8.00 noch starker Schneefall aus Graz gemeldet, so beobachtete man um 15.00 Eiskörner, ebenso in Feldbach (südöstliche Steiermark) und Leibnitz (südwestliche Steiermark).

Gegen 16.00 Uhr gingen die Eiskörner in Regen über, bei weiterhin negativen Bodentemperaturen, d.h. mit akuter Glättebildung! Die Warmluftnase war nun soweit abgesunken, dass die Frostschicht zu dünn war, um die Regentropfen frieren zu lassen.


4. Gefrierender Regen

4.1 Maskierte Kaltfront

Zumindest in Mitteleuropa tritt gefrierender Regen glücklicherweise oft nur übergangsweise zwischen Schneefall und Regen auf, beispielsweise bei Durchzug einer "maskierten" Kaltfront, wenn eine Inversionswetterlage mit Frostluft am Boden und höhenmilder Luft mit einer Kaltfront ausgeräumt wird. Bodennah steigen die Temperaturen durch die Durchmischung, in der Höhe nehmen sie ab.

Kurz, bevor der Wind am Boden greift, kann Regen auf den gefrorenen Boden fallen und Glatteisbildung auslösen. Da es von lokalen Gegebenheiten abhängt, wo der Wind zuerst greift, ist eine Glatteisprognose bei maskierten Kaltfronten extrem schwierig und Nowcasting. Der Nachbarort kann schon Plusgrade haben (Gefahr gebannt), während ein paar Kilometer in einer windgeschützten Muldenlage Glatteisbildung ein Thema ist.

4.2 Warmfrontniederschlag mit seichter Kaltluft

Während gefrierender Regen bei Kaltfrontdurchgang meist ein lokales Phänomen, kann er bei Warmfrontdurchgang flächendeckend auftreten. Warme Luft gleitet auf Kaltluft auf. Aufgrund der stabilen Luftschichtung ist die Durchmischung behindert, die warme Luft setzt sich erst sukzessive bis zum Boden durch und messbarer Niederschlag auf gefrorenen Boden ist möglich.

glatteisregenBeispiel: 5. Februar 2001 in Nordwestdeutschland

Der Radiosondenaufstieg von Emden begleitet mich seit der Vorlesung in Flugmeteorologie an der Uni Innsbruck. Er wurde als Lehrbuchfall für Glatteisregen angeführt. Die Bedingungen verwundern nicht: 

Ausnehmend schöne Warmluftadvektion und Rechtsdrehung des Windes mit der Höhe (von Ost auf Südwest), warme Nase in 900 hPa und rund 400 m dicke Frostluftschicht. Schuld an dieser Wetterlage hatte ein Skandinavienhoch mit einem Kaltluftkörper an seiner Ostflanke, der mit nordöstlicher Bodenströmung nach Norddeutschland transportiert wurde. Von Westen näherten sich atlantische Tiefdruckgebiete und die übergreifende Warmfront gleitete schließlich auf der zähen Kaltluftschicht am Boden auf.


4.3 Gegenstromlage mit extremer Glatteisbildung

Markanter können die Auswirkungen ausfallen, wenn gleichzeitig Warmluftadvektion in der Höhe und Kaltluftadvektion am Boden stattfindet. Dies wird durch die Orographie begünstigt. Während inneralpin die Kaltluftschicht meist mächtig genug ist, damit der Warmfrontniederschlag komplett als Schnee fällt, funktioniert dieser Prozess im Flachland nicht so gut und höchstens vorübergehend.

glatteisregen2Beispiel: 1. Dezember 2010 im Süden Rumäniens

Die besondere Geographie Rumäniens machte starken Glatteisregen mit Eispanzerbildung auf Bäumen, Sträuchern, Fahrbahnen und Stromleitungen mit Schäden möglich. Strommasten kippten um und sorgten für Stromausfälle, auch der Zugverkehr kam teilweise zum Erliegen, weil Bäume der Eislast nicht standhielten und auf die Gleise kippten.

Der Sondenaufstieg zeigt oberhalb 900 hPa eine ausgesprochen mächtige Warmluftschicht mit 35 Knoten Südwestwind, darunter aber eine ebenso mächtige Kaltluftschicht mit immerhin 25 Knoten Nordostwind (in Emden nur 5 Kn), d.h. spürbare Kaltluftadvektion. Die Kaltluft wurde dabei um den Karpatenbogen nach Süden, später Südwesten, gelenkt. 

Der Gehalt an niederschlagbaren Wasser (PWAT) war mit 23 mm wesentlich höher als im Emden-Fall (15 mm).


4.4 Gefrierender Sprühregen aus Hochnebel

Wesentlich häufiger, nicht ungefährlich, aber ohne Eislast an Stromleitungen vollzieht sich gefrierender Regen bei einer Hochdrucklage. Voraussetzung hierfür ist genügend unterkühltes Wolkenwasser, also eine Nebel- oder Hochnebelschicht. Entweder wird die Hochnebelschicht durch einen herannahenden Trog oder Kaltlufttropfen gehoben und/oder die vertikale Windscherung nimmt zu. Im ersten Fall wird die Wolkenschicht ausgepresst und nieselt aus, in letzterem Fall werden Kelvin-Helmholtz-Wellen angeregt, die für Ausnieseln sorgen (nähere Beschreibung im Blog).

hochnebelBeispiel: 19.November 2001 in München

Im gezeigten Fall herrschte bodennah Hochdruckeinfluss, während sich darüber ausgedehntes tiefes Geopotential schob, das für eine Anhebung der Wolkenschicht sorgte.

Die Temperatur befindet sich durchwegs im negativen Bereich, wobei unterhalb rund 1000 m eine gesättigte Luftschicht mit unterkühltem Wolkenwasser vorlag. Die Windscherung war äußerst schwach bzw. nicht gegeben, weswegen die angesprochenen Kelvin-Helmholtz-Wellen als Trigger nahezu ausgeschlossen sind.

Leichter Nieselregen musste also bei den negativen Bodentemperaturen um -1°C unweigerlich zu Glatteisbildung führen. Nennenswerte Mengen waren bei einem PWAT von 7 mm aber nicht zu erwarten.

In diesem Fall also Gefahr vor allem für Autofahrer und Fußgänger, weniger für Stromleitungen und Vegetation.


4.5 Schematische Skizze

Eine anschauliche schematische Skizze zum Übergang von Schneefall in Eiskörner und gefrierenden Regen bis zum Regen hat Marco Puckert in sein Magazin gestellt:

winternowcast01 

Ich habe eine Schicht eingezeichnet, in der die Temperaturen über 0 Grad liegen. Diese Schicht schiebt sich nun von links nach rechts in die Frostluft hinein und gleichzeitig fällt Schnee von oben herab in diese Schicht. Von rechts nach links wird diese Schicht (Aufgleiten) immer dicker. Ganz rechts fällt der Schnee bis zum Boden, weiter links schließt sich eine Zone mit Eiskörnern an, weil die bodennahe Kaltluftschicht dick genug ist, damit die unterkühlten Tropfen (sie weisen Werte unter 0 Grad auf) wieder gefrieren können und zu "Eiskörnern" werden. Noch weiter links fällt dann nur noch flüssiger "gefriereder Regen" (auch etwas missverständlich als "Eisregen" bezeichnet) . Ganz links hat sich dann die Warmluft zum Boden durchgesetzt, es herrscht Tauwetter und es regnet ohne Eisbildung am Erdboden.

Quelle: http://www.wetter-express.de/Artikel/winterniederschlag01.htm

Eine textliche Zusammenfassung von Glatteisregen und dem Unterschied zur gefrierenden Nässe findet ihr im Blog.

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