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Noe Wolter, 2. Jahr Bachelor Nautik Maritime Akademie Antwerpen Analyse von Gewittern in den Ardennen und der Großregion Inhaltsverzeichnis 1. Vorwort 2. Einleitung 3. Die Atmosphäre 4. Luftmassen und Wettersysteme 5. Wolken 6. Entstehung von Gewittern und deren verschiedenen Stadien 7. Die verschiedenen Gewittertypen 8. Analyse 9. Diskussion 10. Ergebnisse 11. Interpretation 12. Zusammenfassung 13. Index 1. Vorwort Die Stärke von Gewittern hängt von mehreren Faktoren ab, wie z.B. CAPE (Convective Available Potential Energy), CIN (Convective Inhibition) und LI (Lifted Index). Für deren Berechnung und Voraussage werden meist sehr starke Rechner benutzt. Im Nachhinein können diese Faktoren anhand verschiedener Aspekte der Gewitterwolken (Form, Windrichtung und Windstärke, Typ und Anzahl) auf Satellitenbildern und Radarbildern nachgewiesen werden. „Einzelgänger Gewitter“ wie MCS und MCC deuten auf einen hohen CIN hin, während Schwärme von Konvektionsgewitter auf niedrige CAPE und CIN hindeuten. 1 2. Einleitung Seit jeher haben Gewitter und deren Begleitphänomene die Menschen fasziniert. Bei fast allen Kulturen der Welt hat sich diese Faszination in Form von Götter ausgedrückt: Zeus bei den Griechen, Jupiter bei den Römer, der Donnervogel der Indianer, Taranis bei den Kelten und Thor bei den Wikingern (obwohl Gewitter in Skandinavien eher selten sind). In den letzten 50 Jahrzehnten hat die Wissenschaft die Rolle der Religion übernommen. Seit der Inbetriebnahme der ersten meteorologischen Satelliten in den 1960er haben sich unsere Wetterkenntnisse und deren Vorgänge weitgehend verbessert. Dennoch haben neulich extreme Wettergeschehnisse wiederholt gezeigt, dass wir selbst mit besten Satellitenbildern und weltweiten Wettersonden meteorologische Phänomene weder kontrollieren noch mit 100%er Genauigkeit vorhersagen können. Hier sollen ein paar der Prinzipien der Entwicklung von Gewittern erklärt werden. 3. Die Atmosphäre Generell bezeichnet man als Atmosphäre die Gasschichten, welche die Erde umgeben. In der Meteorologie zählt man noch drei zusätzliche „Schichten“ hinzu: die Biosphäre, die Ozeane und die Geographie. Die Atmosphäre selbst wird in 5 Schichten unterteilt: Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre, Thermosphäre und Exosphäre. 1) Troposphäre Aus meteorologischer Sicht hat die Troposphäre die größte Bedeutung. Sie hat eine maximale Höhe von 7 bis 15 km, je nach Breitengrad. Sie macht ca. die Hälfte der Masse der Atmosphäre aus und enthält 95% dessen Wassergehalts. Mit der Höhe nimmt die Temperatur stetig ab, von durchschnittlichen 20°C an der Erdoberfläche bis hin zu –70°C an manchen Wolkengipfeln. Die Troposphäre ist auch die einzige Schicht mit vertikalen Bewegungen (in Hoch- und Tiefdruckgebieten und auch gewisse Wolkentypen) anstatt nur horizontaler Bewegungen (Wind). Troposphäre und Stratosphäre sind durch die Tropopause getrennt, wo die Temperatur wieder ansteigt. Die Tropopause ist auch die Grenze für die normalen Wolken. Chemische Zusammensetzung der Atmosphäre (Dr. Martin Schultz, Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg) (1) 2 2) Stratosphäre Die Stratosphäre erstreckt sich von 15 bis 40 km in die Höhe. Dort fängt die Temperatur wieder an zu steigen um dann wieder ab 50 km die 30°C-Grenze zu erreichen. Dieser Temperaturanstieg ist von großer Bedeutung für Gewitterwolken. Die Stratosphäre beinhaltet auch die Ozonschicht die uns vor ultravioletter Strahlung schützt. 3) Mesosphäre, Thermosphäre et Exosphäre Diese Schichten der Atmosphäre sind für die Meteorologen nicht von besonderer Bedeutung, da sich in dem Bereich fast keine meteorologische Phänomene abspielen (abgesehen von Perlmuttwolken, Polarlichter und das Verglühen von Meteoriten, als Sternschnuppen bekannt). 4) Biosphäre, Ozeane und Geographie Die Rolle der Atmosphäre wird deutlich wenn man sich klar macht, dass die Atmosphäre zu zwei Drittel in direktem Kontakt mit Meerwasser ist. Desweiteren hat Wasser eine zweimal größere spezifische Wärmekapazität. Dies bedeutet, dass sich Wasser viel langsamer erwärmt bzw. abkühlt und viel mehr Hitze speichern kann als die Erde. Aus diesem Grund herrscht ein konstanter Unterschied zwischen Meeresluft und kontinentaler Luft. Außerdem „spendet“ das Meer unbegrenzt Feuchtigkeit an die Luft und Feuchtigkeit spielt eine äußerst wichtige Rolle in allen meteorologischen Phänomenen. Die Geographie entscheidet über die physikalischen Eigenschaften des Geländes. Eine Gebirgskette kann eine Luftströmung blockieren, umlenken oder deren Eigenschaften (Temperatur und Luftfeuchtigkeit) beeinflussen. So erklären sich Phänomene wie Monsun, Föhn der Alpen, lokale Mikroklimas und die Abschwächung der Tiefdruckgebiete sobald diese sich östlich der Alpen befinden. MCS/Superzelle am 18.08.2011 über Hasselt. Ein starker und mehrere Tage anhaltender Südwestwind brachte große Mengen Feuchtigkeit nach Westeuropa. (14) 3 Die Atmosphäre (2) 4 4. Luftmassen und Wettersysteme Als Luftmasse bezeichnet man eine gewisse Menge Luft, die aus der gleichen Region stammt und mehr oder weniger homogen ist. Man unterscheidet zwischen vier Gruppen von sehr warm bis sehr kalt: äquatorial, tropisch, polar und arktisch. Hinzu kommen zwei Untergruppen: maritim und kontinental, feucht und trocken. An den Grenzen zweier solchen Luftmassen befinden sich Tiefdruckgebiete und eher schlechtes Wetter. Luftmassen (3) In einem Tiefdruckgebiet steigt warme Luft auf, in einem Hochdruckgebiet sinkt kalte Luft aus höheren Schichten der Atmosphäre nach unten. Der Druckunterschied erklärt sich dadurch, dass die sinkende Luft in einem Hoch gegen den Erdboden drückt, während sie in einem Tiefdruckgebiet nach oben gesaugt wird. Mit zunehmender Höhe nimmt der Luftdruck ab (nicht zu verwechseln mit dem Druck auf Bodenhöhe). Gleichzeitig kühlt die aufsteigende Luft ab (adiabatische Abkühlung, das heißt ohne externe Energiezufuhr, im Gegensatz zur diabatischen Abkühlung/Erwärmung welche eine Hitze/Kältequelle benötigt) (Beispiel für adiabatische Erwärmung: Blockiert man das Ende einer Fahrradluftpumpe und man fängt an zu pumpen, dann erhitzt sich die Pumpe und somit auch die Luft darin. Das gleiche Prinzip wie im Diesel/Ottomotor, nur dass der Druck größer ist). Im Falle eines Tiefdruckgebietes bedeutet das, dass die warme feuchte aufsteigende Luft sich abkühlt, die Feuchtigkeit kondensiert und sich Wolken und Wassertropfen bilden. Derselbe Effekt erklärt warum in einem Hochdruckgebiet schönes Wetter herrscht: wenn kühle Luft aus höheren Schichten absinkt, enthält sie nur wenig Feuchtigkeit und erhitzt sich adiabatisch. Nach dieser zusätzlichen Erhitzung bleibt nur noch sehr wenig Luftfeuchtigkeit und man kann trockenes Wetter erwarten. Im Sommer bei starker Sonneneinstrahlung (aufgrund der Schieflage der 5 Erdachse), erhitzt sich diese Luft sehr schnell und es herrscht angenehmes Wetter. Im Winter hingegen bei geringer Sonneneinstrahlung bleibt die Luft kühl (Bedingung des Winters 2011/2012). Es gibt allerdings noch weitere Phänomene, welche diesen strengen Winter erklären. Wenn Luft in einem Tiefdruckgebiet aufsteigt oder in einem Hochdruckgebiet sinkt beginnt sie zu drehen, wegen der Corioliskraft. So rotiert die Luft im Uhrzeigersinn in einem Hochdruckgebiet und gegen den Zeiger in einem Tiefdruckgebiet auf der nördlichen Hemisphäre, und anders rum auf der Südhalbkugel. Dies erklärt die Spiralform von Frontensystemen in einem Tiefdruckgebiet sowie die Rotation von Hurrikans und Tornados. Auf diese Weise können Luftmassen mittels großen Hoch- und Tiefdruckgebieten über viele tausende Kilometer bewegt werden (z.B. wurden so gegen Ende Dezember 1999 große Mengen tropische Luft aus dem karibischen Meer nach Mitteleuropa geführt. Im Winter 2011/2012 hat uns ein Hochdruckgebiet über Skandinavien kalte trockene Luft aus Sibirien beschert). Isobarenkarte mit Fronten (5) Ein Tiefdruckgebiet entsteht wenn sich schwere, kalte und trockene Luft unter wärmere, feuchtere Luft schiebt. Dort wo sich warme und kalte Luft treffen entstehen Wolken (Abkühlung der warmen Luftmassen, Kondensation). Während sich die Kaltluft unter die Warmluft drückt, wird diese in Bewegung gesetzt und nach oben geschoben. Beim Aufsteigen kühlt die Warmluft ab, Feuchtigkeit kondensiert, es bilden sich Wolken und Regen. Wegen der Corioliskraft fangen beide Luftmassen an, wie zuvor beschrieben, zu rotieren. Dabei dreht sich die Warmluft langsamer als die Kaltluft und wird von dieser eingeholt. Deshalb enthält ein Frontensystem meistens drei Frontentypen: die Warmfront wo warme Luft die Kaltluft verdrängt; die Kaltfront, wo kalte Luft die Warmluft verdrängt und die Okklusionsfront (wo Warm- und Kaltfront sich wie ein Reißverschluss schließen). 6 Klassisches Frontensystem (4) 7 Abgesehen davon gibt es noch zwei weitere Frontenarten: Stationäre Fronten und konvektive Linien. Wie die klassischen Fronten befinden sich die stationären Fronten zwischen Kalt- und Warmluft, allerdings ohne die klassische Spiralbewegung. Wie der Name vermuten lässt, bewegt sich eine stationäre Front kaum. Postfrontale Subsistenzzonen sorgen hinter Kalt- und Okklusionsfronten für Niederschläge und werden durch den starken Anstieg der Luftfeuchtigkeit wegen des Regens der Kaltfront und dem erheblichen Temperatursturz hinter der Front erzeugt. 5. Wolken Generell entsteht eine Wolke wenn Luft durch Konvektion aufsteigt, die sich durch die Druckabnahme ausdehnt und dabei adiabatisch abkühlt. Diese Abkühlung führt zur Kondensierung der Feuchtigkeit mithilfe eines Kondensationskerns. Je wärmer die Luft (im Vergleich zur umgebenden Luft), desto mehr Feuchtigkeit kann sie aufnehmen und höher in der umgebenden Kaltluft aufsteigen und somit wird die Wolke grösser und dicker. Allerdings wurde es experimentell bewiesen, dass eine gewisse Quantität Hitze und Feuchtigkeit in den niederen Schichten von Nöten ist um überhaupt eine Konvektion zu erzeugen (CIN, siehe weiter). Konvektion ist der Aufstieg von warmer Luft in einer kühleren Umgebung. Eine Konvektion ist nur möglich, wenn die oberen Luftschichten kälter sind als die Unteren. Oder genauer, die Luft muss mit der Höhe schneller abkühlen als unsere Luft beim Aufsteigen sich adiabatisch abkühlt. Dies erklärt warum Gewitterwolken so abrupt an der Stratosphäre, wo die umgebende Luft wieder wärmer wird, aufhören zu wachsen. Dort ist ein weiteres Aufsteigen nicht mehr möglich und die Gewitterwolken beginnen sich horizontal auszudehnen um den typischen Gewitteramboss zu erzeugen. Nach der heute offiziellen Klassifizierung werden Wolken nach der Höhe ihrer Untergrenze in vier Wolkenfamilien eingeteilt – hohe, mittelhohe, niedrige und solche, die sich über mehrere Stockwerke erstrecken (vertikale Wolken). Zusätzlich gibt es eine große Anzahl Unterklassen und Spezialbezeichnungen, je nach Natur und Gestalt der Wolke. Wir werden uns hier nur auf die Hauptkassen und die für Gewitterwolken wichtigen Unterklassen beschränken. 1) Cirrus: Cirruswolken sind sehr hohe Wolken (7 bis 15 km), die hauptsächlich aus Eiskristallen bestehen. Sie ähneln meistens Federbüscheln, kleinen Häufchen (Cirrocumulus) oder bilden einen durchsichtigen Schleier (Cirrostratus). 2) Altostratus und Altocumulus: Es sind Wolken mittlerer Höhe (4 bis 7 km) und bedeuten meistens eine Verschlechterung der Wetterverhältnisse. Zuerst kommen die Altostrati, dann die Altocumuli, welche eine stärkere Konvektion besitzen. 3) Stratus und Nimbostratus: Diese Wolken ähneln einem dichten und bedrohlichen Schleier und befinden sich in den unteren Schichten der Troposphäre. Im Gegensatz zu den Stratuswolken ist der Nimbostratus von Niederschlägen begleitet, es ist die Standardregenwolke. Cumulus congestus, Foto aufgenommen am 10.09.2007 in der Nähe von Ellange (Luxemburg) 8 4) Cumulus : Cumulus-Wolken entstehen durch Konvektion bei kleiner Instabilität. Sie haben meist sehr klare Grenzen und können einen an Schafe oder Blumenkohl erinnern (je nach Vorliebe). In der Form von Cumulus fractus (in Fetzen), Cumulus humilis (kleiner Cumulus) oder Cumulus mediocris (mittelmäßiger Cumulus) sind sie auch unter dem Namen « Schönwetterwolke » bekannt. 5) Cumulus congestus : die Cumulus congestus-Wolke kann man als großer Bruder der Cumulus-Wolke bezeichnen. Sie entsteht bei größerer Instabilität. Es ist eine bedrohliche Wolke manchmal von Niederschlägen begleitet, die sich unter Umständen zu einem Gewitter weiter entwickeln kann. 6) Cumulonimbus : Er ist der König der Wolken. Ein Cumulonimbus erstreckt sich von der unteren Schicht der Troposphäre bis hin zu maximalen 16 km Höhe in den äquatorialen Breiten. Die meisten gewaltigen und gefährlichen Phänomene der Meteorologie sind ihm zuzuschreiben. 7) Pileus : Es handelt sich um eine kleine Wolke am Gipfel der Konvektionssäule. Er bildet sich im Falle einer äußerst starken Konvektion, bei der die umgebende Luft nicht schnell genug ausweichen kann und mitgerissen wird, sich adiabatisch abkühlt und kondensiert. Manchmal entsteht ein Pileus auch über den Aschwolken von Vulkanen oder den Pilzwolken von Atombomben. 8) Mammatus : Eigentlich handelt es sich dabei gar nicht um eine Wolke sondern nur um eine Wolkenformation an der Unterseite des Ambosses bei einem Gewitter mit sehr starkem Aufwärtsstrom . Diese Wabenstruktur entsteht, wenn die sich horizontal bewegende Luft durch den Druck der nachkommenden Luft und die dadurch entstehenden Turbulenzen leicht absinkt. 9) Cirrus spissatus: Es sind die Überbleibsel eines alten Cumulonimbus. Er befindet sich in den höheren Schichten der Troposphäre und entsteht wenn der Aufwärtsstrom innerhalb des Gewitter nachlässt (Erklärung kommt später). Meistens hat er die Form eines umgekehrten und sehr flachen Kegels. Es kann sein dass an der Unterseite des Cirrus noch Niederschläge sichtbar sind, ohne dass diese den Erdboden erreichen. Man redet dann von einem Virga (Regen der noch während des Falles verdunstet).* Cirrus spissatus (10) 6. Entstehung von Gewittern und deren verschiedenen Stadien Generell entsteht ein Cumulonimbus aus einem gewöhnlichen Cumulus bzw. Cumulus congestus. Dabei generiert der warme aufsteigende Konvektionsstrom auch einen kalten Abwärtsstrom. Dieser Abwärtsstrom entscheidet über die Lebensdauer des Gewitters. Sobald die Kaltluft die Warmluft an der Basis der Gewitterzelle erreicht „stirbt“ das Gewitter, da diese die Energiezufuhr des Gewitters beendet. Dieser Mechanismus ist der Grund warum horizontale Strömungen (Wind) und Störungen (Windscherung) in der Atmosphäre für Gewitter von Bedeutung sind, vor allem in den mittleren und oberen Schichten der Troposphäre. Wenn auf keiner Ebene Wind herrscht, dann wird der Aufwärtsstrom nach rund einer Stunde von absinkender Kaltluft blockiert und die Zelle löst sich auf. * : (16) Weitere Wolkenarten 9 Herrscht jedoch Wind, dann wird der Abwärtsstrom horizontal zum Aufwärtsstrom verschoben und die Kaltluft kann den Aufwärtsstrom nicht blockieren. Auf diese Art erweitert sich die Lebensdauer eines Gewitters um Stunden oder in extremen Fällen sogar Tage. In dieser Hinsicht kann auch das geographische Gelände eine große Rolle spielen. Eine Gebirgskette oder ein Tal kann große Mengen Luft zum Aufsteigen zwingen, ohne dass es zu einer Konvektion im klassischen Sinne kommt. Man redet dann von einer orographischen Konvektion, die zu äußerst schweren und langlebigen Gewitter führen kann. Leben einer Zelle Das Leben einer Gewitterzelle ist durch 3 Stadien gezeichnet: Wachstum, Reife und Auflösung. Jedes Studium ist gekennzeichnet durch verschiedene Strömungen, Niederschläge und elektrische Aktivität. 1) Wachstum (Cumulus Stadium) Es beginnt in der Regel mit einem Cumulus mit sehr starkem Aufwärtswind. Zu diesem Zeitpunkt gibt es weder Regen noch eine Abwärtsströmung, da die Konvektion die Obergrenze noch nicht erreicht hat. Die Stärke des Gewitters hängt von der jetzt absorbierten Feuchtigkeit und Warmluft ab. Eine solide Konvektion lässt sich an den scharfen Rändern einer Wolke erkennen. Lebenszyklus einer Gewitterzelle (11) 2) Reifestadium Erst jetzt bildet sich der Abwärtsstrom. Der Aufwärtsstrom wird jetzt nach und nach verschwinden, da die Warmluft der unteren Schichten nach und nach durch die Kaltluft des Abwärtsstroms ersetzt wird. Der Lebenszyklus des Gewitters erreicht seinen Höhepunkt. 3) Auflösung (Dissipationsstadium) 3 gut erkennbare Zellen : eine sehr junge Zelle (links), eine reife Zelle (Mitte), Zelle mit starker Konvektion (rechts). Aufnahmen: 29.07.08 Frankreich Der Aufwärtsstrom hat sich aufgelöst. Es herrscht jetzt leichter Nieselregen. Die restliche Feuchtigkeit in den höheren Schichten wird sich zu einem Cirrus Spissatus formen. 10 7. Die verschiedenen Gewittertypen Man unterscheidet zwischen drei Gewitterklassen (Einzellige Gewitter, Mehrzellengewitter und Superzellen), die wiederum in verschiedene Typen unterteilt sind. 1) Einzellige Gewitter Es handelt sich um die einfachste Gewitterart und zwar um eine einzige Gewitterzelle in einem homogenen Umfeld ohne Windscherung. Ihre Lebensdauer überschreitet nur selten zwei Stunden. Obwohl es sich um die schwächsten Gewitter handelt soll man sich dennoch vor ihnen hüten wenn sie in großen Mengen als Cluster auftauchen und sich somit zu einem MCS oder MCC weiterentwickeln können (Erklärung kommt später). 2) Mehrzellige Gewitter Die Klasse der mehrzelligen Gewitter umfasst viele Gewittertypen. Die Hauptursache für mehrzellige Gewitter ist die Windscherung. (in der Höhe ist der Wind generell schneller). Durch die Windscherung verschiebt sich den Abwärtsstrom und blockiert den Aufwärtsstrom sehr viel langsamer und die Geburt von neuen Zellen in der Nähe des Aufwärtsstrom der alten Zelle ist möglich. Die alte Zelle stirbt und die Neue nimmt ihren Platz ein. So findet man in einem mehrzelligen Gewitter mehrere konvektive Zellen in verschiedenen Reifestadien. Ein klassisches mehrzelliges Gewitter ist ein sich ständig erneuerndes Gewitter. Es handelt sich um durchschnittliche Gewitter mit der Größe von ein paar Kilometer. Oben : Radarbild von einer Schauerlinie, am 22.06.11 (7). Unten : 180° Sicht einer Böenfront (Arcus) Oft gruppieren sich Gewitter (in größeren Mengen spricht in Südfrankreich (8) man von Systemen oder Komplexen). Eine recht geläufige Form ist die Schauerlinie, bestehend aus einer geordneten Linie mit mehreren Gewittern. Es handelt sich um schon recht kräftige Gewitter, die einen regelmäßigen Nachschub an Warmluft benötigt um zu überleben. Das System bewegt sich meist recht schnell. Zu dieser kollektiven Bewegung muss man noch die Geschwindigkeit des Windes hinzurechnen, wenn der Abwärtsstrom den Erdboden erreicht. Zusammengerechnet können diese Winde mehr als 100 km/h betragen (die Maxima befinden sich meisten unter der Böenfront, eine Wolke die sich zwischen der Warmluft vor der Zelle und der Kaltluft hinter der Zelle befindet, man spricht von einer Pseudofront). Diese Schauerlinien können sich über mehrere Kilometer, manchmal sogar Hunderte von Kilometer. Wenn sich eine Schauerlinie 11 in Bogenform organisiert, spricht man von „Derecho“. „Derechos“ sind sehr heftige Stürme wegen der Turbulenzen am Ende des Bogens, der Tornados auslösen kann. Wenn große Mengen Feuchtigkeit vorhanden sind und das System sich aber nur langsam fortbewegt, organisiert es sich meist als Cluster anstatt als Linie. Man redet dann von einem mesoskaligen konvektiven System (MCS) oder von einem mesoskaligen konvektiven Komplex (MCC) wenn das System einen Durchmesser von über 200 km hat. Im Innern wachsen Zellen von verschieden Typen oft chaotisch, meist aber verstärkt in einem länglichen Bereich in der Mitte des Clusters. Solch ein Cluster kann mehrere Arten von Gewitter beherbergen (Das Gewitter, welches am 18.08.2011 über Hasselt in Belgien zog, war ein MCS und in diesem System entwickelte sich eine Superzelle, die auf dem Pukkelpop Festival schwere Schäden anrichtete). Ab einem Durchmesser von über 400 km beginnt ein MCC sich wie ein unabhängiges Tiefdruckgebiet zu verhalten Außergewöhnlicher MCC über dem Golf von Gascogne, am Morgen des 23.05.09 und man bemerkt dann eine entsprechende Rotation (Maddox Kriterium). Oft steht ein MCC am Anfang eines Zyklons oder Hurrikans. Die meisten MCS und MCC bilden sich über warmen Meeren (Mittelmeer) wo eine konstante Zufuhr von Hitze und Feuchtigkeit möglich ist. Manchmal können sie jedoch auch in höheren Regionen über dem Land entstehen, wenn die Wetterbedingungen stimmen. Die größte Gefahr sind die großen Regenmengen, welche die sich langsam fortbewegenden und langlebigen Gewitter hervorbringen können. Der letzte Gewittertyp sind die Gewitter in V-Form. Gewitter In V-Form gehören zur Kategorie der retrograden Gewitter (sehr lokale aber heftige Gewitter). Ihren Namen Satellitenbild von einem erhalten sie durch ihre charakteristische Radarsignatur. Diese Gewitter Gewitterschwarm in V-Form, davon entstehen bei sehr starker Windscherung innerhalb der Troposphäre. eins (in rot) über Luxemburg am Dabei ist der Höhenwind so groß, dass der Abwärtsstrom sich „vor“ 22.06.08 (10) dem Aufwärtsstrom befindet und sich über lange Strecken zieht. Man halt also die Impression, dass das Gewitter sich rückwärts bewegt obwohl es eigentlich stationär oder sich sogar ganz leicht vorwärts bewegt, daher die Bezeichnung „retrograd“. Da sich der Abwärtsstrom vor dem Aufwärtsstrom befindet, wird das Gewitter seitlich mit Energie versorgt (Südseite auf der nördlichen Hemisphäre). Wegen dieser speziellen Versorgung brauchen Gewitter in 12 V-Form sehr viel Hitze und Feuchtigkeit. Alle Feuchtigkeit, die dabei aufsteigt, kommt als Niederschlag wieder runter und zwar vor allem an der Spitze der V-Form. Die Versorgung kann durch eine orographische Konvektion verstärkt werden. Dies ist ein recht häufiges Ereignis in Südfrankreich, bekannt unter dem französischen Namen „épisode cévenole“, wenn der milde Südwind in ein Tal bläst und am Kopf des Tals aufsteigt und so sehr heftige stationäre Gewitter auslöst. Bekannt seit den Überschwemmungen in Anduze im Jahr 2002, lösen diese Gewitter schwere Überschwemmungen aus (bis zu 10 m über dem normalen Wasserpegel), wobei in einem Tag die Menge an Regen eines ganzen Jahres fallen kann. 3) Superzellen Bei Superzellen handelt es sich eigentlich um Einzelzellen, die aber durch ihren hohen Grad an organisierter Struktur ausgezeichnet sind. In vielen Hinsichten ähneln die Superzellen den V-Gewittern mit zwei wesentlichen Unterschieden. Erstens beschränkt sich die Windscherung nicht nur auf einen Wechsel in der Windgeschwindigkeit sondern auch in der Windrichtung (meistens herrscht in den unteren Schichten Westwind und in den höheren Schichten Südwind. In LP Superzelle mit positivem Blitzschlag. Die große Säule, die der südlichen Hemisphäre addiere man man im Vordergrund sieht, ist der Aufwärtsstrom und der jeweils 180°). Dieser Richtungswechsel Abwärtsstrom befindet sich dahinter im Regen. ist teils für die Rotation im Inneren einer Superzelle verantwortlich. Der andere Faktor für die Rotation ist die starke Aufstiegsgeschwindigkeit von bis zu 150km/h in Verbindung mit der Corioliskraft. Der andere Unterschied ist, dass ein V-Gewitter aus mehreren Zellen besteht welche sich nach und nach neu entwickeln wenn ältere Zellen sich wieder auflösen. Eine Superzelle besteht aus einer einzigen Zelle mit einer Lebensdauer von mehreren Stunden. Man unterscheidet zwischen 3 Arten von Superzellen: Klassische Superzelle, LP Superzelle (low precipitation) et HP Superzelle (high precipitation). Man kann bei jeder dieser Arten Tornados vorfinden, jedoch produziert bei weitem nicht jede Superzelle ein Tornado. 8. Analyse Heutzutage werden die meisten Vorhersagen und Analysen mit Hilfe der geophysikalischen Fluiddynamik gewonnen. Diese hoch komplexen Berechnungen werden meist von Superrechnern vollzogen. Die Daten auf die sich diese Berechnungen basieren werden von lokalen Wetterstationen und Satelliten gesammelt, oft in zusätzliche Zwischenwerte umgerechnet und dann an den Zentralrechner weitergegeben. Die Berechnung des Zentralcomputers ist auf Papier mehrere Dutzend Meter lang und ist dem entsprechend selbst für professionelle Meteorologen eher schwer nachzuvollziehen. Für Hobbymeteorologen sind die Zwischenwerte von großem Interesse. Werte wie LI, CAPE und CIN sind wichtige Hinweise für starke Gewitterepisoden. 13 LI ist der Lifted Index. Man nehme die Luft auf Bodenhöhe und hebe sie (wobei sie sich adiabatisch ausdehnt und abkühlt) bis zu einer gewissen Höhe an (meist die Druckhöhe von 500hPa) und nun vergleiche man die vorhandenen Lufttemperatur mit unserer nun abgekühlten Luft. Ist die vorhandene Luft kühler, so erhält man ein negatives LI. Je negativer der LI, desto wahrscheinlicher sind heftige Gewitter. CAPE bedeutet Convective Available Potential Energy. Es ist die Energie die der Luft zum Aufsteigen zur Verfügung steht. Der CAPE ist ein Wert in J/kg zwischen 0 und 5000. Je höher der CAPE, desto höher ist das Unwetterpotential eines Gewitters. Tabelle mit CAPE Werten und der Der CIN (Convective Inhibition) ist das Gegenteil vom CAPE. Es ist damit verbundenen Wetterlage (15) die Energie, die ins System hinzugefügt werden muss um den Aufstieg der Luftmassen zu starten (ganz ähnlich der Aktivierungsenergie in chemischen Reaktionen). Ist der CIN niedrig oder quasi null, dann wachsen große Mengen von konvektiven Zellen und entziehen sich gegenseitig Energie und es bleibt bei schwachen Gewitter. Ist der CIN hoch, dann entsteht ein Schnellkochtopfeffekt. Die ganze Energie wird an einer Steller entweichen, in einem einzigen gewaltigen Gewitter. Solche Gewitter werden auch Wolkenfresser genannt, da in der Umgebung keine anderen Wolke den CIN überwinden kann. Diese Werte, zusammen mit Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit, sind führ erfahrene Sturmjäger sehr zuverlässige Angeben für Gewitter. Für Laien sind diese Parameter recht verwirrend. Die vielsagendsten und von allen wahrscheinlich am meisten benutzten Datenquelle sind brandaktuelle Satellitenaufnahmen (im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich) und Radarbilder zur Überprüfung der Niederschlagsintensität. In Sachen Vorhersage geben sie höchstens einen Aufschluss für die nächsten paar Stunden und geben jedoch sehr viele und genaue Aufschlüsse zur aktuellen Situation, wie z.B. Fortbewegung, Geschwindigkeit und Intensität. Jede Gewitterart hat seine eigene Satelliten- und Radarsignatur. Einzellige Gewitter ähneln auf dem Radar kleinen weißen Massenweise Einzellige Gewitter Flecken von mittelmäßigem bis starkem Niederschlag. entlang der Französische Grenze, am Mehrzellengewitter unterscheiden sich von einzelligen 30.04.2011 (13) Gewittern meist nur in der Größe. Schauerlinien sind auf Satellitenbildern eher schwer zu erkennen, doch auf dem Radar bilden sie lange Linien starker Niederschläge. MCS und MCC sind durch große, runde Strukturen auf Satellitenaufnahmen und ohne konkrete Form auf Radarbildern charakterisiert. Gewitter in V-Form haben sowohl auf Satellitenbildern wie auch auf dem Radar eine V- oder U-Form mit durchstoßendem Gipfel und den stärksten Niederschlägen am Ende des V. Superzellen ähneln auf Satellitenbildern den MCS und haben auf dem Radarbild jedoch eine Komma-Form. 14 9. Diskussion Diese Methode zur Erkennung und Registrierung von Gewittern in einer Region hat jedoch mehrere Nachteile. Sowohl die zeitliche wie auch räumliche Abgrenzung ist schwierig, da Gewitter weiterziehen. Aus Gründen der Einfachheit wird hier zur Analyse der Gewitter jeweils der Klimax des Gewittersystems untersucht. Ein weiteres Problem ist, dass vermutlich nicht alle Gewitter registriert werden oder als solches zu erkennen sind. Per Definition ist ein Gewitter „eine mit luftelektrischen Entladungen verbundene komplexe meteorologische Erscheinung“ (12). Von der Struktur her sind schwache, einzellige Gewitter kaum von einem normalen Regenschauer zu unterscheiden. Desweiteren können sich Gewitter in den Wolkenmassen von Regenfronten „verstecken“. Diese haben keine klare Struktur und können nur durch eine Verstärkung des Niederschlags auf dem Radar erkannt werden. Außerdem gibt es keine Standardeinheit für die Stärke von Gewittern. Die weltweit verschiedenen Skalen sind an die Merkmale der dortigen Gewitter gebunden (USA vor allem Hagel und Tornado, Frankreich hauptsächlich „Downbursts“ (14) und Niederschlagsintensität). Um trotzdem einen Vergleich machen zu können wurde für diese Analyse eine einfache Skala entwickelt: 0 bis 3 (äußerst schwach, mittelmäßig, stark, außergewöhnlich stark). Ein weiteres Problem ist die enorm große Menge an Daten. In der Regel werden jede 15 Minuten eine neue Aufnahme per Satellit und Radar gemacht. Da diese Studie sich über 2 Jahre erstreckt, ergeben dies über 200.000 zu überprüfende Satelliten- und Radarbilder. Ernsthafte Wetterbeobachtung und Wetteranalyse ist eine Vollzeitbeschäftigung. Hier wurden nur Satellitenbilder von April bis September untersucht. 10. Ergebnisse Superzellen und starke V-Gewitter* Schwache Gewitter in V-Form MCS und MCC Schauerlinien Chaotisch organisierte Gewitter Mehrzellige Gewitter Einzellige Gewitter Total Anzahl 5 4 7 12 7 23 22 80 Durchschnittliche Menge Strömungsstärke Gewitterintensität 5,000 2,500 2,833 5,000 2,000 1,250 1,571 1,286 2,571 2,833 1,333 1,833 2,857 1,429 1,857 5,000 0,826 1,087 4,955 0,864 0,409 4,200 1,175 1,325 (* Der MCS über Belgien am 18.08.2011 enthielt eine Superzelle und deshalb wurde dieser MCS auch zu den Superzellen hinzugezählt!) 6% Superzellen und Starke V Gewitter 5% 27% 9% Schwache Gewitter in V-Form MCS und MCC Schauerlinien 15% Chaotisch organisierte Gewitter Mehrzellige Gewitter 29% 9% Einzellige Gewitter 15 11. Interpretation Man erkennt, dass die „schwachen“ einzelligen und mehrzelligen Gewitter mehr als die Hälfte aller Gewitter ausmachen (der reelle Prozentsatz liegt vermutlich noch höher da diese Gewitter auf Satellitenbildern schwer zu erkennen sind). Auffallend ist auch der große Unterschied in der durchschnittlichen Menge (d.h. Anzahl der Gewitter pro System bzw. Zahl der Begleitgewitter) von MCS/MCC (1,5) im Vergleich zu anderen Gewitterarten mindestens 2,8). Man kann die MCS/MCC also durchaus als „Einzelgänger“ oder als „Wolkenfresser“ bezeichnen, die den anderen Gewittern Energie entziehen und bei recht hohem CIN entstehen. Außerdem sind die Werte von Schauerlinien und chaotisch geordneten Gewittern mehr oder weniger identisch. Vermutlich handelt es sich um den gleichen Gewittertypus mit dem Unterschied, dass chaotische Gewitter nur durch die umgebenden Nimbostrati nicht zu erkennen sind. Wenn man die prädominierende Position der verschieden Gewittertypen miteinander vergleicht (siehe Anhang), dann erkennt man, dass organisierte Gewitter wie MCS/MCC und Schauerlinien (und chaotisch angeordnete Gewitter) eher an der Kalt- oder Warmfront auftreten, während Einzelzellengewitter (Superzellen, V, mehrzellige und einzellige Gewitter) nicht an solche Voraussetzungen gebunden sind. Ungefähr 30% aller Gewitterperioden beinhalten heftige Gewitter (Superzellen, V, MCS/MCC, Schauerlinien). 12. Zusammenfassung Gewitter gibt es in fast allen erdenklichen Formen und während verschiedenen Wettersituationen. Ihre Klassifikation und deren Forschung sind hochgradig komplex. In der Luxemburger Umgebung gibt es durchschnittlich 20 bis 25 Gewitter pro Jahr. Dass ein Drittel davon in Kategorie „schweres Gewitter“ fällt mag schockierend klingen, doch man sollte dabei allerdings nicht vergessen, dass Gewitter sehr lokale Phänomene sind. Dementsprechend lokal und vereinzelt sind auch die Schäden. Dabei sollte man den Vorteil von Gewittern nicht unterschätzen. Im Sommer stellen sie die Hauptniederschlagsquelle dar, welche die Vegetation während dieser Periode dringend benötigt. Gewitter erneuern die Laubwälder indem sie alte, schwache und kranke Bäume entfernen und für neue Bäume Platz machen. Desweiteren handelt es sich um ein wunderschönes und gewaltiges Spektakel, das man sich nicht entgehen lassen will. Dies ist die Motivation jedes Sturmjägers. 16 13. Index : 27.09.12 : Mon cours de météorologie HZS 1ère année SN 27.09.12 : http://www.mpimet.mpg.de/fileadmin/grafik/picture/ac002.gif 27.09.12 : Mon cours de météorologie HZS 1ère année SN 27.09.12 : Mon cours de météorologie HZS 1ère année SN 27.09.12: http://www.metweb.fr/ , issue par metoffice, le 23.02.09. 12UTC 10.10.12: http://www.meteo.physik.unimuenchen.de/~roger/Einfuehrung_Teil_III/Einfuehrung_Teil_III_041108.pdf (7) 22.06.12: http://www.meteox.fr (8) 22.06.12: www.eumetsat.com (9) 15.11.12: httpwww.flickr.comphotos23157600@N023991108974 (10)31.01.2013: http://www.free-online-private-pilot-ground-school.com/Aviation-WeatherPrinciples.html (11)23.03.2013: http://de.wikipedia.org/wiki/Gewitter (12)23.03.2013:http://www.meteox.de/hist.aspx (13)23.03.2013: http://www.erh.noaa.gov/cae/svrwx/downburst.htm (14) 27.03.2013: http://eumetrain.org/data/2/274/navmenu.php?tab=7&page=4.0.0 (15)27.03.2013: http://www.tornadochaser.net/cape.html (16)27.03.2013: http://oceanservice.noaa.gov/education/yos/resource/JetStream/synoptic/l9.htm (17)Mehr oder weniger überall für Recherche benutzt wurden: www.eumetsat.com, www.meteox.fr, www.sat24.fr und das Buch: Hermant, A.: Gewitter. Faszination eines Phänomens. Delius Klasing, 2002 (1) (2) (3) (4) (5) (6) 17
