Schwere Gewitter und Aspekte ihrer Kurzfristvorhersage

1. Schwere Gewitter und Aspekte ihrer Kurzfristvorhersage Dr. Nikolai Dotzek DLR-Institut für Physik der Atmosphäre, Oberpfaffenhofen Physikzentrum Bad Honnef

2. Fragestellungen zu schweren Gewittern • Welche Arten gibt es? • Wann treten Tornados auf? • Wo treten diese auf? • Sind Tornados bei uns anders als in den USA? • Ist Vorhersage möglich? • Gibt es klimatische Trends?

3. Phänomene schwerer Gewitter ... ... neben Tornados und Downbursts auch Hagel ...

4. Wetterlagen mit schweren Gewittern Satellitenbild (1200 UTC) und Blitze des gesamten Tages

5. Deutschland USA Japan Österreich

6. Gliederung des Vortrags • Einleitung • Teil 1: Gewitterklassifikation • Teil 2: Gewitterphänomene • Teil 3: Klimatologie schwerer Gewitter • Teil 4: Anforderungen der Kurzfristprognose • Zusammenfassung • Weiterführendes Material

7. 1. Teil: Gewitterklassifikation • Folgende Gewittertypen sind für unsere Betrachtung wichtig: • Einzelzellengewitter • Multizellengewitter • Superzellengewitter • Dabei nimmt von der Einzel- zur Superzelle die lang-lebigkeit und Heftigkeit des Gewitters zu. Einzelzel-len erzeugen kaum Tornados, Superzellen relativ oft. • Auf Organisation der Gewitter in Linien oder Ballun-gen wird hier nicht eingegangen.

8. Gewitterparameter • Entscheidend für Typ, Stärke und Langlebigkeit eines Gewitters sind vor allem zwei Größen und ihr Verhält-nis zueinander: • Die thermische Schichtung der Atmosphäre (labil / stabil). Sie bestimmt die Auftriebsenergie der Wolkenluft. • Die vertikale Zunahme und Drehung des Windes (Scherung). Sie bestimmt die kinetische Energie der Wolkenluft. • Das Verhältnis beider Energien legt den Gewittertyp fest.

9. Einzelzellengewitter • Ist die Auftriebsenergie groß (labile Schichtung), die Scherung aber klein, entstehen Gewitter, die aus nur • einer ``Zelle´´ bestehen. Sie bilden die typischen Wärme-gewitter im Sommer: • Sie sind kurzlebig (ca. 30 min bis 1 h) • Sie bringen selten Hagel oder Sturmböen • Sie treten isoliert auf • Tornados entstehen bei diesem Gewittertyp fast nie.

10. Einzelzellengewitter Vertikaler Aufbau mit elektrischen Ladungszentren

11. Multizellengewitter • Ist die Auftriebsenergie zwar groß (labile Schichtung), die Scherung aber sehr groß, entstehen Gewitter, die aus mehreren, nacheinander anwachsenden Zellen be-stehen. Sie sind heftiger als normale Wärmegewitter: • Sie sind längerlebig (ca. 1 h bis 3 h) • Sie bringen häufiger Hagel oder Sturmböen • Sie treten nicht unbedingtisoliert auf • Tornados oder Downbursts können bei diesem Gewitter-typ durchaus vorkommen.

12. Multizellengewitter Hier wird die Abfolge der Zellen gut erkennbar.

13. Superzellengewitter • Ist die Auftriebsenergie zwar groß (labile Schichtung), die Scherung aber nicht überwiegend, entstehen Ge-witter, die aus einer, langanhaltenden und in sich rotierenden Zelle bestehen. Sie können schwere Schäden durch Hagel, Sturm etc. hervorrufen: • Sie sind langlebig (ca. 1 h bis 6 h) • Sie bringen oft Hagel oder Sturmböen • Sie treten nicht unbedingtisoliert auf • Sie schreiten mit etwa 60 km/h fort • Tornados oder Downbursts können bei diesem Gewitter-typ am häufigsten vorkommen.

14. N Superzellengewitter Perspektivische Seitenansicht senkrecht zum Zugweg Draufsicht Niederschlag (nach Lemon & Doswell, 1975)

15. Superzellengewitter Beispiele von Windprofilen und der Druckverteilung in einer Superzelle (rechts).

16. Tornados und Downbursts (Gewitterböen) • Zwei Starkwindphänomene, die mit heftigen Gewittern einhergehen, sind Tornados und Downbursts. • Tornados sind nahezu senkrecht von der Gewitterwol- ke bis zum Erdboden herabreichende, stark rotie- rende Wirbelwinde von zerstörerischer Kraft. Der Wirbel kann ganz oder teilweise durch einen Wol- kenschlauch sichtbar sein. • Downbursts sind Starkwindböen, die aus einem Gewit- ter herabstürzen, aber nicht (wesentlich) rotieren. Am Boden entstehen heftigste geradlinige Winde.

17. Zusammenfassung Teil 1: • Sinnvoll ist eine Unterteilung der Gewitter in Einzel-, Multi- und Superzellen. • Einzelgewitter verlaufen meist ohne Schäden • Multizelle und Superzelle können Schäden durch Hagel, Sturm, Starkregen oder Blitz auslösen • Superzellen rotieren als gesamte Gewitterwolke und können sich lange Zeit mit hoher Ge- schwindigkeit ohne Abschwächung fortbe- wegen • Superzellen sind die verläßlichsten Tornado- und Downburst``produzenten´´

18. Umsetzung im Unterricht ... ?! • Vorschläge wären hier: • Fotografische Dokumentation der Lebenszyklen von Gewittern • Zeitrafferfilme • Zuordnung von Gewitterschäden zu den doku- mentierten Gewitterzellen

19. 2. Teil: Gewitterphänomene • Insgesamt kommen bei Gewittern diese meteorolo-gischen Einzelphänomene vor: • Blitze (gefährlicher als man gemeinhin denkt!) • Hagel (mit Korngrößen von 5 mm bis über 5 cm) • Extremniederschläge (lokale Überschwemmungen) • Tornados (Windgeschwindigkeit bis 500 km/h) • Downbursts (Windgeschwindigkeit bis 250 km/h) • Downbursts mit Sicherheit häufiger als Tornados, • stellen auch für die Luftfahrt eine Gefahr dar!

20. Tornados in Europa: Beispiele

22. Downbursts Durch Niederschlag gekühlte Luft fällt herab und wird am Boden horizontal umgelenkt und da-bei verwirbelt. Es kann nur kurz-zeitig und lokal zu tornadoähnlichen Wirbeln kommen.

23. Downburst in der Computersimulation Längsschnitt, Ausbreitung nach rechts =>

24. Downburst in der Computersimulation Querschnitt, Ausbreitung zum Betrachter

25. Intensität der Winde und Schäden • Windgeschwindigkeit und Windenergie (Schäden) werden international mit zwei Skalen gemessen, der Fujita- und der TORRO-Skala. • Die TORRO-Skala ist doppelt so fein wie die Fujita- Skala (T0 bis T11 gegenüber F0 bis F5) • Die Skalen geben den stärksten Wind / Schaden an • Sie beginnen bei 60 km/h, reichen bis zu 500 km/h • Die Skalen sind nicht perfekt, weil vereinfachend; aber genau deswegen auch praktikabel ...

26. T und F-Skala: Geschwindigkeit, Schadensatz Schadensatz: Verhältnis Sach- bzw. Flurschaden zu Neuwert

27. Zusammenfassung Teil 2: • Zu den Gewitterphänomenen mit Starkwind gehören Downbursts und Tornados. • Beide können Winde bis über 200 km/h erreichen, Tornados sogar bis über 500 km/h • Der Tornado von Pforzheim reichte bis ca. 325 km/h • Bei Downbursts wird v.a. der Winddruck wirksam, bei Tornados auch starke Dreh- und Scherkräfte • Es ist wichtig, bei der nachträglichen Schadenanalyse aber oft sehr schwer, Tornado und Downburst klar zu unterscheiden. Bislang werden Downburstschäden bei uns meist unter ``Sturmböen´´ eingeordnet.

28. Umsetzung im Unterricht ... ?! • Vorschläge wären hier: • Kontaktaufnahme zu Forstbehörden und Frage nach Waldschäden im Zuge heftiger Gewitter • Besichtigung solcher aktueller Waldschadenzonen • Kontaktaufnahme zur Flugsicherung (DFS) oder zu Fluggesellschaften und Frage nach Downburst- ereignissen mit Flugzeugen

29. 3. Teil: Klimatologie • Klimatologische Daten des TorDACH-Netzwerks für Deutschland ergeben folgendes Bild: • in etwa 10 Tornados pro Jahr • Zahl der Downbursts noch ungenau, aber eher höher • Tornadodichte 0.1-0.2 Fälle pro Jahr und 10000 km2 • Maximum der Tornadoaktivität im Juli, spätnachmittag • viele Fälle aus Ostdeutschland fehlen offenbar noch • das gleiche gilt für Wasserhosen an Nord- und Ostsee

30. Tornadomeldungen von 1800 bis 2000 Variation: öffentliche Wahrnehmung, kein Klimatrend (!?)

31. Orte aller Einzelmeldungen Alle Meldungen mit genauer Ortsangabe seit 1435 Häufung auch abhängig von der Bevölkerungsdichte Im Norden gleichförmig ver- teilt, im Süden bedingt die Geländeform die Strukturen

32. Dichte aller Einzelmeldungen Aus Ostdeutschland fehlen etwa 100 Fälle Hohe Dichte in norddeutscher Tiefebene Wasserhosen über Küstenge- wässern und Binnenseen Erhöhte Dichte auch im Ober- rheingraben / Vogelsberg

33. Jahresgang, monatlich => kontinental Kontinental: Maximum im Sommer, eher symmetrisch Maritim: Maximum im Herbst, asymmetrischer Verlauf

34. Jahresgang, täglich Tornados sowie Tage mit Tornados als 15-Tage Mittelwert

35. Tagesgang Primäres Nachmittags-, sekundäres Morgenmaximum

36. T und F-Skalendefinition, Schadensätze Schadensätze Europa: Münchner Rück (Dotzek et al. 2000)

37. Tornado-Intensitätsverteilung Deutschland Ähnlich den USA vor 1950 (wenig schwache Tornados)

38. Intensität und Todesopfer ... Europa sehr ähnlich den USA Potentiell gefährlich! Europa sehr anders als die USA

39. Zusammenfassung Teil 3: • Deutsche und andere europäische Klimato- logien der Tornados unterscheiden sich nicht wesentlich von denen der USA. • Der Hauptunterschied zu den Vereinigten Staaten scheint die geringere Gesamt- zahl (USA = ± 1000, Europa = ± ???) zu sein.

40. Umsetzung im Unterricht ... ?! • Vorschläge wären hier: • Sammeln von Berichten zu Tornados aus lokalen Pressemeldungen, Forstamtsberichten oder auch Heimatchroniken etc. ... • Analyse der Wetterlagen der jeweiligen Tage ... • Bei aktuellen Fällen: Dokumentation der Schäden ... • Meldung an TorDACH!

41. 4. Teil: Anforderungen Kurzfristprognose • Gute Vorhersage der großräumigen Wetterlage, d.h. ob und in welcher Region schwere Gewit- ter auftreten können • Schnelle, automatisierte Erkennung von Superzel- len im Doppler Radar • Erfahrung mit regionalen Besonderheiten des bo- dennahen Stromfeldes • Warnung der Bevölkerung (nur ca. 10 min Vorlauf)

42. Einfluß der Geländestruktur • In hügeligem Gelände entstehen kleinräumige Va- riationen des bodennahen Windfeldes • Diese bestimmen stark die Windscherung, die ein Grundbestandteil der Tornadobildung ist • Daher wird in Mittelgebirgen nahe beeinander ei- ne stark unterschiedliche Tornadohäufigkeit beobachtet • Beispiel: Oberrheingraben in Süddeutschland

43. Eine Tornado-Allee in Oberrheingraben 16 oder mehr Fälle nördlich Vogesen und Schwarzwald

44. Entstehung der Tornado-Allee • Blau: bodennaher Wind • Rot: bodennaher Trans- port warmer Luft • Grün: hor. Konvergenz Synoptische Situation mit großräumiger Anströ-mung aus W bis SW im Sommerhalbjahr (der ``Spanish plume”)

45. Ausgewählte Tornadofälle: Beispiel 1 • 9. September 1995: Tornado in Nußbach bei Oberkirch 1100 UTC • Labilität durch Kalt-luft in der Höhe • Bodenkarte um 1200 UTC, zeigt Rückseite einer Kaltfront

46. Wirbelsignaturen im Doppler Radar Ein Doppler Radar mißt die Komponente des Windfelds in Richtung der Radarantenne (vom Radar weg, aufs Radar zu) Gibt es Rotation in der Wolke, z.B. in einer Superzelle, kann das Radar diese erkennen. Soweit die Theorie ...

47. Wirbelsignaturen am 9. September 1995 Signaturen deutlich, aber sehr kleinräumig Signaturen wur-den erst in nach-träglicher Analyse gefunden ... Automatische Er-kennung schwie-rig, aber möglich

48. Ausgewählte Tornadofälle: Beispiel 2 • 23. Juli 1996: Tornado in Ziegelhausen bei Heidel- berg gegen 1800 UTC • Am Mittag dieses Tages gab es bereits 2 Tornados in den Niederlanden • Satellitenbild von 1200 UTC, eine Kaltfront mit vor- gelagerter Konvergenz ist sichtbar 23 Jul 1996

49. Superzelle / Wechselspiel mit Geländeform Radarechos und Rotation um 1808, 1828 UTC

50. Superzelle / Wechselspiel mit Geländeform Geländeumströmung kann zweiten Wirbel erklären