Kaltfront von Kyrill

Im abschließenden Kapitel zu Orkan Kyrill wird näher den wetteraktiven Kaltfrontdurchgang eingegangen, u.a. mit Hilfe der Convective Lightningwizardmaps und mit weiteren Satellitenbildern, die die Entwicklung der Dry Intrusion im Detail zeigen. Zunächst aber eine Karte des Höhenwinds, die die Heftigkeit des Ereignis belegt:

Teil 1: Vorhersage und Verifikation der konvektiven Kaltfront

300 hPa Höhenwind (in Knoten)

1-t

Die Kaltfront befand sich im linken Auszug eines markanten Jetstreaks mit über 250 km/h Windspitzen in 300 hPa.

Hier herrscht maximaler Hebungsantrieb mit Höhendivergenz, sodass großräumig kräftige, aufwärts gerichtete Vertikalbewegungen stattfinden.

Der Südwesten Deutschlands blieb von den heftigsten konvektiven Umlagerungen an der Kaltfront verschont, da in der Jetachse bzw. leicht antizyklonal gelegen.

Nicht sichtbar ist die Welle an der Kaltfront, die zusätzlich für Stabilisierung gesorgt hat.


Karte 1 - Thompson-Index

Der Thompson-Index errechnete sich aus der Differenz des K-Index und des Lifted-Index. Er beschreibt grob die vertikale Schichtungsstabilität durch das Verhältnis von Feuchte und Temperaturabnahme in der mittleren Troposphäre und unteren Troposphäre. Er erwies sich in der Vergangenheit als guter Hinweis (!) auf hochreichende Feuchtkonvektion, wurde aber mit den neuen Lightningwizardkarten, die jetzt auch HIRLAM (Lokalmodell von EZWMF) inkludieren, eingestellt.

2-t

Der Thompson-Index ist für drei Termine vom Donnerstag, 18. Januar 2007 geplottet: 15z, 18z und 21z.

Sie zeigen mit Durchgang der Kaltfront ein starkes Signal besonders über Nord- und Ostdeutschland sowie eine starke Abschwächung mit Südostwärtsverlagerung der Kaltfront nach 18z.

Das durchgängige Signal deutet auf eine konvektive Linie hin, also verbreitet Schauer- oder Gewitterbildung.

Gewitter waren also nach dieser Karte im genannten Gebiet sehr wahrscheinlich.


Karte 2 - Equilibrium Temperaturen

Die Gleichgewichtstemperaturen (der Wolkenobergrenzen) werden nur dann geplottet, wenn CAPE existiert. Ab unter -10°C sind Schauer möglich, unter -30°C Gewitter. Unter -50°C ist die Luftmasse recht sommerlich.

3-t 

Die gerechneten EL-Temperaturen sinken mit Fortschreiten der Kaltfront weiter ab und erreichen -30°C zum 18z-Termin und bis zu -40°C über Polen. Die damit verbundene sukzessive Abkühlung der Wolkenobergrenzen lässt auf weit hochreichende Feuchtkonvektion mit größeren Labilitätsflächen schließen. Würde es sich dabei um sehr tiefreichende Höhenkaltluft handeln, wie sie beim Vorstoß arktischer Kaltluft mit -40°C in 500hPa auftritt, so wäre die CAPE-Fläche eher breit.

 


Wie man aber anhand der Reanalysiskarten im ersten Teil der Analyse sehen konnte, handelte es sich im Höhenkaltluft im Bereich von -25 bis -30°C und einem verhältnismäßig hohen Geopotential. Die EL-Temperaturen sind folglich eher in der oberen Troposphäre angesiedelt und die CAPE-Fläche schmal, aber hochreichend.

Mit Kenntnis der Geopotentialkarten kann man folglich von hochreichender, sommerlicher Feuchtkonvektion ausgehen.


Karte 3 - 0-2 km Feuchteeinströmen

Die 0-2 km Moisture Influx-Karten zeigen grob die Menge der Feuchte an, welche den untersten 2km (ca. die Obergrenze der konvektiven Grenzschicht) der Feuchtkonvektion zur Verfügung steht. Sie wird nur dargestellt, wenn die Schichtung instabil genug ist. Je höher die Werte, umso besser das Angebot an Feuchte für ein Gewitter.

4-t

Die Karten zeigen über weiten Teilen Norddeutschlands mit südostwärts fortschreitender Kaltfront günstige Werte bis zu 80g/s/m².

Die Werte sind geschlossen erhöht, also entlang der Kaltfront bis mindestens Thüringer Wald.

Dies deckt sich auch mit den Beobachtungen von Gewittern in der Verifikation.

Derartig starke Signale im Winterhalbjahr sind eher ungewöhnlich - meist ist die bodennahe Luftmasse absolut zu trocken bzw. zu gut durchmischt.


Karte 4 - 2-4km Temperaturabnahmen

Je stärker die Temperaturabnahme zwischen 2 und 4 km, desto trockener ist diese Schicht. Ist die darunterliegende Schicht gleichzeitig feuchter, so kann potentielle Instabilität aufgebaut werden und bei synoptisch-skaliger Hebung freigesetzt werden. Inzwischen ersetzt durch Warm Layer to 500 hPa Lapse Rate, beschreibt aber im wesentlichen dasselbe, nur andere Höhendifferenz.

5-t

 

Die Karte zeigt für den Abendtermin einen hufeisenartigen Schwaden etwas trockenerer Luft über Nord- und Ostdeutschland bis nach Westpolen.

Die Region deckt sich in etwa mit dem Verlauf von Okklusions- und Kaltfront.

Hier wird also potentielle Instabilität erzeugt, die bekanntlich im linken Jetauszug auch freigesetzt wurde.

Weiter stromaufwärts über Benelux und England bis Irland gehen die Lapse Rates dramatisch zurück bzw. sogar in den positiven Temperaturbereich, was starke Warmluftadvektion und damit Stabilisierung anzeigt.


Karte 5 - Temperaturabnahme zwischen Boden und 500m AGL

6-t Die zugehörige Temperaturabnahme für die unterste Schicht über dem Boden zeigt eher schwache Abnahmen im Bereich von 4-5K, was auf eine verhältnismäßig feuchte Schichtung hinweist.

Gemeinsam mit den Moisture-Influx-Karten kann man also von einer recht feuchten unteren Schicht ausgehen, die von einer etwas trockeneren Schicht in der Höhe überlagert wird.

Die Voraussetzungen für potentielle Instabilität waren demnach definitiv gegeben.

Karten 1 bis 4 unterstreichen damit die Existenz der notwendigen Zutaten von Feuchtlabilität und Hebung. 

Wobei letzteres gegeben ist durch die Trogachse, linken Jetauszug und dem frontogenetischen Antrieb der Ana-Kaltfront selbst (aufsteigende Warmluft durch vordringenden Kaltluftkörper)

Die weiteren Karten befassen sich mit der vertikalen Windscherung und der Gefährdung durch Downbursts und Tornados:


Karte 6 - 0-3km Storm-relative Helicity

Die Helizität ist ein Maß für das Potential von Superzellen und trägt die Einheit [m²/s²]. Sie beschreibt das Verhältnis der in ein Gewitter einströmenden Luft zu dessen Verlagerungsrichtung, ab etwa 150m²/s² ist die Gefahr von Mesozyklonen gegeben, ab 300 m²/s² können starke Tornados auftreten. Diese Werte sind allerdings jedoch bloße Richtwerte - eine entsprechende Bandbreite ist vorhanden und zu berücksichtigen. Bei rein vorhander Geschwindigkeitsscherung kann Helizität von der Mesozyklone "gesammelt" werden, wenn sie von der mittleren Führungsrichtung ausschert.

7-tZum 18z-Termin zeigt die Karte extreme Helizität im Bereich von verbreitet über 400m²/s², in der Spitze bis zu 700m²/s².

Wichtig ist die Lage der stärksten Helizität im Verhältnis zur Position der Kaltfront in der Modellprognose für 18z.

Anhand der obigen Karten erkennt man, dass die Kaltfront bzw. die Bereiche erhöhter potentieller Instabilität und Feuchtezufluss vor der rückseitigen Kante des Helizitätsfeldes liegen, d.h. Scherfelder und Front zusammenfallen.

Hinter der Front geht die Scherung vorübergehend zurück, ehe sie mit der Troglinie über den Niederlanden und Niedersachsen erneut zunimmt.


Karte 7 - 0-6km Scherung (schwarz), 0-1km Scherung (farbig)

8-tDie vertikale Windscherung für 18z ist am oberen Anschlag der Skala.

Die 0-1 km Scherung (LLS) erreicht verbreitet 40-50Kn über ganz Deutschland, besonders markant im Bereich der Kaltfront (schwarze Fläche) sowie entlang der Alpen im Warmsektor ("barrier jet").

Die 0-6 km Scherung (DLS) erreicht über Norddeutschland nur 20-40 Kn, da nahe am Kernbereich der Zyklone gelegen.

Weiter südwärts steigt sie rasch auf bis zu 70Kn, im Westen bis auf über 100Kn an. Im Bereich der Kaltfront liegen sie bei 30-70Kn.

Das Verhältnis von LLS und DLS lässt folgende Aussage zu:

Die starke bodennahe Scherung ermöglicht linienförmige Gewitter und vor allem geradlinige Windböen (Downbursts). Bei gleichzeitig starker hochreichender Scherung sind auch organisierte Gewitter (eingebettete Mesozyklonen) möglich, mit entsprechend erhöhtem Tornadorisiko.


Karte 8 - Downburstpotential

9-tDie Karte zeigt farbig die zu erwartenden, konvektiven Böen bei vertikalem Impulsfluss.

Sie liegen verbreitet bei 70 Kn Minimum bis zu über 90 Kn Maximum, auch im Bereich der Kaltfront.

Dies deckt sich gut mit den beobachteten Böen von 80 Kn in Düsseldorf und Berlin, 75 Kn in Magdeburg, Braunschweig und den schweren Waldschäden bis hin zu T4 (um 200km/h, ca. 110Kn), die etwa im Erzgebirge registriert wurden.

 

Fazit:

Die Hauptgefährdung mit Durchzug der Kaltfront bestand in schweren Gewittern mit vorwiegend geradlinigen Winden, deren Spitzenböen bis zu 170km/h, teilweise auch über 200km/h erreichen konnten. Ein gewisses Tornadorisiko konnte wegen der extremen vertikalen Windscherung nicht ausgeschlossen werden. Aufgrund der zügigen Südostwärtsverlagerung der Kaltfront war eine lokale Vorhersage kurzlebiger Mesozyklonen nahezu unmöglich.

ESTOFEX-Prognose von Donnerstag, 18.1.2007, 07.52 UTC:

Die gesamten Prognose (lang) kann man hier nachlesen. Nachfolgend die relevanten Auszüge bzgl. der Auswirkungen:

Current thinking is that at least weak instability will be present sufficient to allow a strongly-forced convective line along the cold front [...]

Convection that forms may merge into a well-organized linear MCS as strong vertical wind shear will be able to balance the forming cold pool. Such a convective line may produce even higher wind gusts due to mesoscale low-level jets in the range of the cold pool. This scenario includes widespread severe wind gusts as well as a couple of very high wind gusts of more that 40 m/s.

In both scenarios, high low-level SRH values will be present in the warm sector. Embedded mesocyclones may form along the convective line, capable of producing isolated large hail and tornadoes. There is also a chance for non-supercell tornadoes along the leading gust front given high background helicity and locally favorable low-level buoyancy.

ESTOFEX ging also von einer gut organisierten Böenlinie aus, die Windböen von mehr als 144 km/h produzierten könne, sowie mit eingebetteten Mesozyklonen, die großen Hagel und Tornados hervorrufen können. Auch nichtmesozyklonale Tornados waren an der Böenfront denkbar.

Verifikation:

verifikationeswd

Nach der ESWD-Datenbank wurden an der Kaltfront Tornados in Ostdeutschland, Tschechien und Polen beobachtet, sowie verbreitet schwere Windböen bis zur Orkanstärke.


Blitzkarte, 18. und 19. Januar 2007, jeweils 00-22 UTC

BlitzkarteDie Südostwärtsverlagerung der Gewitter in Zusammenhang mit den Gewittern ist sehr schön anhand der registrierten Blitze der beiden Tage erkennbar.

Die Gewittertätigkeit begann zwischen 13 und 14 UTC am Ausgang des Ärmelkanals und verstärkte sich rasch auf dem Festland. Der Faktor der diabatischen Erwärmung durch Einstrahlung ist hier allerdings nahezu zu vernachlässigen, da die gewittrige Böenfrontlinie in ein skaliges Regengebiet an der Kaltfront eingebettet war.

Am späten Abend griffen die Gewitter auf Polen, Tschechien und Slowakei über.

Bis 2 UTC erreichten die Gewitter noch den äußersten Norden Österreichs, wo im Waldviertel ebenfalls schwere Waldschäden entstanden. Danach hörte die Gewittertätigkeit auf - der Höhentrog verlagerte sich rasch ostwärts, während die Kaltfront aus dem Bereich des Hebungsantriebes herauslief.


Radiosondenaufstieg von Lindenberg, Brandenburg, 18.1.2007, 18 UTC

15-tDas wohl repräsentativste Sounding für die Kaltfront zeigt extreme vertikale Windscherung mit 30 Kn in Bodenniveau und 80 Kn in 850hPa, dessen Fläche hier auf 1160m abgesunken ist. In etwa 750 hPa sind es fast 100 Kn.

Mit dem zunehmenden Hebungsantrieb konnte geringer CAPE bei nahezu feuchtneutraler Schichtung bis etwa 350hPa Höhe freigesetzt werden, dies entspricht eher sommerlichen Bedingungen für hochreichende Feuchtkonvektion.

Das Windmaximum, das sich auf die untere Troposphäre beschränkt, verursachte die beobachteten bogenförmigen Segmente bei der Kaltfrontpassage.


Radarbild von 18.1.2007, 18.30 UTC

16-t

Das Radarbild zeigt die Kaltfront mit der stärksten Aktivität über Ostdeutschland, als auch mehrere Tornados der Stärke F3 auftraten. Die bogenförmigen Ausbeulungen entlang der Front zeigen ein LEWP (Line Echo Wave Pattern), was prinzipiell die Gefährdung durch Downbursts und Tornados anzeigt. Nach Wetterberuhigung hinter der Front folgen von der Nordsee teils markante Schauerstaffeln nach, die weitere Orkanböen brachten.

Quelle : Wetterspiegel bzw. Marco Puckerts Kyrillanalyse

 

Detailliertere Erläuterung:

In der niederen Troposphäre waren die Winde viel stärker als in der mittleren und oberen Troposphäre. Als Folge sind die konvektiven Zellverbände mit der Höhe zwar nach vorne geneigt, jedoch im unteren Bereich noch stärker nach vorne ausgestülpt. Der ausgeprägte Low-Level-Jet führte zur Verdunstungskühlung und damit zur Beschleunigung der Abwinde. Da die Schichtung hochreichend feucht war, war dieser Effekt geringer als bei eher trockenen konvektiven Grenzschichten, wie man sie im Sommer gerade in dieser Region findet. Jedoch wurde dies hier durch den Herabtransport der extremen Höhenwinde kompensiert. Mit fortschreitender Böenfrontlinie wird der Abwind langsam dominant und die Intensität schwächt sich allmählich ab, bis der Niederschlag skaligen Charakter annimmt, wie man ihn von mesoskaligen konvektiven Systemen her kennt.

Gewitterlinien, die derartige Bogenechos aneinandergereiht beinhalten, bezeichnet man auch als Line Echo Wave Pattern (LEWP) (Lineare Echowellenstruktur). Sie beinhalten die Gefahr von großem Hagel, schweren Fallböen und Tornados. Zahlreiche Verdachtsfälle in Thomas Säverts Tornadoliste und bereits drei bestätigte Tornadofälle im F3-Bereich (Lauchhammer, Brachwitz/Kemnitz, Wittenberg) sowie zahlreiche Waldschäden mit T3+-Schäden belegen den Unwettercharakter der durchziehenden LEWP besonders in Ostdeutschland.

Interessanterweise wurden die stärksten Böen vor und während der ersten Minuten der Frontpassage beobachtet, danach ließ der Wind ruckartig nach. Ursache war die starke Abkühlung mit den einsetzenden Niederschlägen sowie Hagel/Graupel, welche zur Bildung eines vorübergehenden Kaltluftsees führten. Dieser entkoppelte die Höhenwinde vom Boden. Mit den nach der Frontpassage wieder steigenden Temperaturen bei gleichzeitigem Temperaturrückgang mit dem durchgehenden Höhentrog nahm die Labilität wieder zu und der Kaltluftsee wurde beseitigt, wodurch auch wieder stärkere Böen auftraten.

Eine ausführliche Darstellung zur Gewitterlage während Kyrill kann einer Präsentation von Christoph Gatzen (Estofex-Mitglied) entnommen werden, die während der Unwetterkonferenz in Trieste, Italien, am 10.-14.September 2007, gehalten wurde.

 

Teil 2: Entwicklung der Kaltfront in Satellitenbildern

Satellitenbild von 18.1.2007, 10 UTC

Verwendet wird hier ein farbiges RGB-Composit von EUMETSAT, welches die Luftmassen verschiedener Höhe anzeigt. Pinke Farben bedeuten dabei Luft aus der Stratosphäre bzw. oberen Troposphäre, bräunliche Farben der mittleren Troposphäre. Je heller die Bewölkung, desto hochreichender ist sie.

10-t

Das Satellitenbild zeigt den Kern der Zyklone über Ostengland.

Die Okklusionsfront liegt bereits kaltseitig der Jetachse, sodass deren Wolkenobergrenzen im Vergleich zum Warmsektor bzw. dem warmen Förderband deutlich abgesunken sind. Quer über England schließt die Kaltfront als seichte, relativ kompakte Linie an. Sie wird vollständig von trockener Stratosphärenluft überlagert, die bis in die mittlere Troposphäre absinkt und dadurch die Wolkenobergrenzentemperaturen erwärmt.

Gleichzeitig aber führt diese Dry Intrusion zur Bildung potentieller Instabilität, da die untere Troposphäre mit Feuchte angereichert ist. Noch überwiegt die Erwärmung der Wolkentops - Gewitter treten bis dahin noch keine auf - stattdessen bilden sich seichte Schauer, die aber dennoch schwere Windböen in Orkanstärke über England hervorrufen.

 

Satellitenbild vom 18.1.2007, 16 UTC

11-tAm Nachmittag um 16 UTC liegt der Kern über dem Kattegat, mit deutlich einspiralisierter Okklusionsfront.

Das warme Förderband hat sich von der Kaltfront entfernt, welche deutlich an Intensität zugenommen hat.

Die Wolkenobergrenzen sind angestiegen, da sich die Dry Intrusion auf höhere Troposphärenschichten beschränkt.

Da sie die Kaltfront weiterhin überrennt, bleibt es bei hoher potentieller Instabilität, die durch den Hebungsantrieb auch freigesetzt wurde. Die Kaltfront selbst weist zunehmend ein "Wabenmuster" auf, deren einzelne Wabenzellen nach der Höhenströmung orientiert sind. Rückseitig der Kaltfront setzt die typische postfrontale Subsidenz ein, nachfolgend bildet sich bereits eine Troglinie an der Nordseeküste.

 

Satellitenbild vom 18.1.2007, 18 UTC

12-tDas wohl spektakulärste Satellitenbild um 18 UTC zeigt eine massive Kaltfront von Südschweden bis in die Mitte Deutschlands reichend.

Ihre Ausdehnung nimmt wie ein Keil von Südwest nach Nordost zu, was sowohl mit dem stärksten Hebungsantrieb im Nordosten als auch dem zugehörigen Höhentrog zusammenhängt, der hier die kälteste Höhenkaltluft durchschwenken lässt.

Sowohl an Vorder- als auch Rückkante der Kaltfronten zeigen sich konvexe Ausstülpungen, die von dem starken LLJ herrühren. Die Absinkzone rückseitig der Kaltfront kristallisiert sich hier ebenfalls gut heraus, ebenso wie die nachfolgende Troglinie mit verstreuten, breitflächigen Multizellen.

Als maßgeblichen Grund für die drastische Verstärkung der Kaltfront mit ab 14 UTC eingebetteten Gewittern kann die vertikale Lage des Dryslots herangezogen werden. Zunächst reicht das Absinken stratosphärischer Luft bis in mittlere Höhen und verhindert durch das entsprechende Absinken der Tropopausenhöhe hochreichendere Feuchtkonvektion über etwa 500hPa hinaus. Im weiteren Verlauf aber zieht sich die Stratosphärenluft in höhere Troposphärenschichten (ca. 350hPa) zurück, sodass die Wolkenobergrenzen ansteigen können.


IR-Einzelbilder der FU-Berlin

13-t

Am 18. Januar 2007 um 1 UTC kristallisiert sich erstmals das Unwetterpotential der Kaltfront heraus, da zu diesem Zeitpunkt die rückseitige Dry Intrusion die Kaltfront überrennt und deren Obergrenzen absenkt.

Im weiteren Verlauf wird die Diskrepanz der Wolkenobergrenzen von der Kaltfront zum warmen Förderband und der Okklusionsfront mit der herumgeführten Warmluftzunge immer deutlicher. In den frühen Morgenstunden wird das Bild undeutlicher.

Zwar ist die Kaltfront weiterhin vorhanden, aber kaum organisiert. Erst gegen 11 UTC beginnt sich die Kaltfront erneut als scharfkante Linie zu formieren.

Am Nachmittag wird der Liniencharakter immer deutlicher, ebenso die postfrontale Subsidenzzone.

Am frühen Abend erreicht die Kaltfront ihre beeindruckendste Ausprägung mit den wabenförmigen Zellkomplexen, die wie an einer Perlenkette aneinandergereiht sind.

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