Schwere Gewitter und Aspekte ihrer Kurzfristvorhersage Dr. Nikolai Dotzek DLR-Institut für Physik der Atmosphäre, Oberpfaffenhofen 28. Juni 2001 Physikzentrum Bad Honnef

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?

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

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

Deutschland USA Japan Österreich

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

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.

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.

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.

Einzelzellengewitter Vertikaler Aufbau mit elektrischen Ladungszentren

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 unbedingt isoliert auf Tornados oder Downbursts können bei diesem Gewitter-typ durchaus vorkommen.

Multizellengewitter Hier wird die Abfolge der Zellen gut erkennbar.

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 unbedingt isoliert auf Sie schreiten mit etwa 60 km/h fort Tornados oder Downbursts können bei diesem Gewitter-typ am häufigsten vorkommen.

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

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

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.

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´´

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

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!

Tornados in Europa: Beispiele

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.

Downburst in der Computersimulation Längsschnitt, Ausbreitung nach rechts =>

Downburst in der Computersimulation Querschnitt, Ausbreitung zum Betrachter

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 ...

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

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.

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

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

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

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

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

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

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

Tagesgang Primäres Nachmittags-, sekundäres Morgenmaximum

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

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

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

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.

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!

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)

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

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

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”)

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

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 ...

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

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

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

Superzelle / Wechselspiel mit Geländeform Geländeumströmung kann zweiten Wirbel erklären

Zusammenfassung Teil 4: Kurzfristvorhersage beschränkt sich in erst- er Linie auf die Ausnutzung von Radars mit Dopplerfähigkeit. Radarverbund des DWD und Forschungsra- dars sind vorhanden. Wichtig ist Erfahrung des Zusammenspiels von Gewitterlage und lokaler Gelände- form.

Zusammenfassung: Tornados Mittlere Tornadodichte: ±0.1 pro Jahr und 10000 km² Aber: hohe Variabilität durch Effekte der Geländeform! Statistik ähnlich der aus USA, nur Gesamtzahl kleiner Viele historische Fälle aus Ostdeutschland fehlen Intensitätsverteilung wie in den USA vor 1950: => viele schwache Tornados werden offenbar noch nicht (oder fehlerhaft) gemeldet

Zusammenfassung: Tornadoforschung Tornadoforschung in vielen europäischen Ländern nimmt wieder zu Eine professionelle Institution sollte in Europa die verstreuten Forschungsaktivitäten bündeln und in einem ``European Severe Storms Laboratory (ESSL)´´ zusammenführen, das sich allen lokalen Unwettern widmet Bis ein ESSL existiert sind detailliertere Klimatolo- gien, sowie die Ausgabe von Tornadowarnun- gen und -vorwarnungen des DWD hilfreich

Weiterführendes Material ... Folgendes Material ist (auch inhaltlich) leicht zugänglich: Howard Bluestein, 1999: Tornado Alley. Oxford Univ. Press, New York, 180 S. J. + A. Verkaik, 1997: Under the Whirlwind. Whirlwind Books, Elmwood, 224 S. http://www.tordach.org/ (viele links EU) http://www.nssl.noaa.gov/ (viele links US)