Der Downburst über Birsfelden am 26.7.2019

Webcambild St. Chrischona

Niederschlagsvorhang der Gewitterzelle über Wyhlen, Aufnahme um ca. 20.20 Uhr der Webcam auf dem St. Chrischona, Blick Richtung Süden. Quelle: Swisscom.

Am Abend des 26.7.2019 führten Sturmböen eines starken Gewitters zu erheblichen Schäden in Birsfelden, Muttenz und Münchenstein. Bei der lokalen Polizei wurden knapp 200 Schadenmeldungen registriert. Der grösste Einzelschaden entstand durch das Kippen eines Hafenkrans in Birsfelden. Eine Dokumentation mit Bildern des Schadenereignisses findet sich im Schweizer Sturmarchiv. In diesem Beitrag wird mit Hilfe der Radarbilder und Bodenwindmessungen die Gewitterentwicklung beschrieben, welche schliesslich zur Bildung eines Downbursts führte. Dieser entstand gegen 21 Uhr über Riehen und entlud sich südwärts in Richtung der drei betroffenen Gemeinden. Die Radarsignatur des Downbursts passt sehr gut zu den Windmessungen im Bereich und der nahen Umgebung des Downbursts.

Infos zu Downbursts
Der 26.7.2019 war einer der heissesten Tage des vergangenen Sommers. Die Temperaturen stiegen da und dort nochmals auf über 35 Grad. Eine Tiefdruckrinne im Westen steuerte aber zunehmend feuchte Luftmassen Richtung Zentraleuropa. Dadurch erhöhte sich die Gewitterneigung deutlich. Im Wetterblog von Fabienne Muriset wurde auf ein hohes Sturmpotenzial durch lokale Downbursts hingewiesen. Entscheidend für die Entwicklung von Downbursts sind Einschübe von trockenen Luftmassen in Gewitterwolken. Durch die Verdampfung des Niederschlages, resp. das Schmelzen von Hagelkörnern wird der Luft Wärme entzogen, die Luft wird schwerer und beginnt mit dem Niederschlag Richtung Boden zu fallen. Der Luftstrom kann senkrecht oder schräg gerichtet sein. Am Boden kommt es zu einer Umlenkung, und die Luft breitet sich fächerförmig aus. Je nach Stärke des Luftstromes können dann am Boden lokale, teils schwere Sturmböen auftreten.

Im Gegensatz zu den Tornados sind kurzlebige, «normale» Gewitterzellen häufige Auslöser von Downbursts. Erst in den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts wurden die Downbursts von Fujita, einem Gewitterforscher an der Universität von Chicago, als eigenständige Wettererscheinung erkannt und beschrieben. Die treibende Motivation für diese Forschungsarbeit war eine Serie von Unfällen, bei welchen Flugzeuge durch die Abwinde von Downbursts auf dem Boden zerschellten. Die spannende Geschichte der Entdeckung der Downbursts kann in einem Artikel von Wilson und Wakimoto (2001) nachgelesen werden.

Vorgeschichte
Ab Mitte Nachmittag des 26.7.2019 bildeten sich, bei flacher Druckverteilung und schwachen Höhenwinden, erste Gewitter im Berner Oberland und ab ca. 18 Uhr im Jura. Diese Regionen wurden am stärksten von den Gewittern getroffen, lokal gab es bis 100 mm Niederschlag. In der Region Basel blieben die Regensummen unter 40 mm. In der Ost- und Nordschweiz östlich von Basel gewitterte es deutlich weniger, vielerorts blieb es auch komplett trocken, siehe die untenstehende Regensummenkarte des Tages. Die Region um Basel befand sich anscheinend im Grenzbereich zwischen feuchten Luftmassen im Südwesten und etwas trockeneren Luftmassen im Osten. Dieser Cocktail kann für die Entwicklung von Downbursts durchus günstige Voraussetzungen bereitstellen.

Tagessumme des Niederschlags am 26.7.2019. Quelle: www.meteoradar.ch/regenkarten

Ab 20 Uhr zog eine kompakte Gewitterzelle von Rheinfelden langsam westwärts Richtung Basel. Das um 20.20 Uhr aufgenommene Webcambild der Niederschlagskaskade (siehe rechts oben) zeigt Anzeichen einer Verwirbelung in Bodennähe an der Frontseite des Niederschlagsvorhanges. Bereits zu diesem Zeitpunkt könnte ein Vorläufer-Downburst den Boden erreicht haben. Zwanzig Minuten später wurde im Radarbild ein Neuanbau über Riehen, knapp nördlich der bestehenden Zelle sichtbar, welche sich zu diesem Zeitpunkt ziemlich exakt über Birsfelden befand. Dieses neue Zentrum blieb während der folgenden 10 Minuten über Riehen ortsfest und bewegte sich danach etwas nordwärts, bevor es sich auflöste und vom Radarbild verschwand. Das 3D-Radarbild um 20.45 Uhr (siehe nächste Abbildung) zeigt, nebst der Niederschlagskarte, zwei Seitenprojektionen, welche den Höhenbereich 0 – 18 km und damit Höhenrisse durch die projizierten Gewitterzellen wiedergeben. Nur die Seitenprojektion in W-E Richtung am rechten Bildrand ist auswertbar, da die Seitenprojektion der Basler Zelle in S-N Richtung durch eine starke Gewitterzelle über der Po-Ebene gestört wird. Im Seitenriss rechts ist die rot-rosa Starkregen- und Hagelsäule über Riehen bei y-Koordinate 270, markiert durch eine graue horizontale Linie, gut erkennbar.

Radarbild um 20.45 Uhr mit Seitenrissen rechts und oben. Für Details siehe Text. Quelle: meteoradar.ch, , Datenquelle: Meteoschweiz

Ausschnitte aus den Seitenrissen rechts der 3D-Radarbilder im Zeitbereich 20.45 –
21.00 Uhr. Die pink-rote Säule in der jeweiligen Bildmitte (bei y-Koordinate 270) zeigt die
Niederschlagskaskade der höchsten Intensitätsstufe des Gewitterzentrums über Riehen. Der
schwarze Strich markiert die maximale Höhe dieser Niederschlagssäule. Diese Höhe sinkt
innert 5 Minuten (von 20.50 bis 20.55 Uhr) von 9 auf 5 km, und nochmals 5 Minuten später
auf 3 km Höhe. Quelle: meteoradar gmbh, Datenquelle: Meteoschweiz

Bildung des Downbursts
In der Abb. oben wird ein Ausschnitt aus den West-Ost Projektionen der Riehener Zelle von 20.45 bis 21.00 Uhr wiedergegeben. Zur besseren Darstellung sind die Bildausschnitte um 90 Grad gedreht. Die maximale Höhe der pink-roten Säule (die Starkniederschlagsszone über 100 mm/h, evtl. auch begleitet von Hagel) ist mit einer schwarzen horizontalen Linie markiert. Diese Höhe sinkt ab 20.50 Uhr von zunächst 9 auf 5 km Höhe (5 Minuten später) und auf 3 km Höhe nochmals 5 Minuten später. Anscheinend kollabiert die Zelle um 20.50 Uhr, der Aufwind, welcher den Niederschlag in der Höhe hält, bricht zusammen und macht einem Abwind Platz, welcher als Quelle eines Downbursts angesehen werden kann. Die Verdampfung des Niederschlages in einem Einschub von trockener Luft gilt in der Regel als der entscheidende Prozess, welcher das betroffene Luftpaket in Bodenrichtung beschleunigt. Aus diesem Grund gehen wir davon aus, dass sich die Quelle des mutmasslichen Downbursts im Bereich oder in der Nähe des Niederschlagsmaximums befindet. Das wäre dann ebenfalls die Region über der Ortschaft Riehen.

Der Standort Riehen befindet sich im Norden der drei von den Sturmschäden betroffenen Gemeinden Muttenz, Birsfelden und Münchenstein. Damit kann das folgende Szenario formuliert werden, welches erklärt, wie es zu den Sturmschäden in den drei Gemeinden kam, vgl. hierzu untenstehende Abbildung.

Schematische Darstellung des mutmasslichen Downbursts. Quelle Kartenhintergrund: Swisstopo

Der Downburst bewegte sich auf einer schräg nach Süden gerichteten Achse in Richtung Boden und breitete sich danach in Richtung Süden aus. Das Schadengebiet umfasst etwa eine Fläche von 6×3 km. Es gibt mehrere Faktoren, welche dieses Szenario unterstützen. Der wichtigste Faktor stammt von der Windmessung des Kraftwerks Birsfelden, welche in der folgenden Abbildung wiedergegeben ist. Diese Grafik zeigt eine kurzlebige Windspitze von 85 km/h um ca. 20.50 Uhr. Die Windrichtung zu diesem Zeitpunkt ist aus Nordosten. Sowohl der Zeitpunkt der Windspitze wie auch die Windrichtung passen perfekt zum beschriebenen Szenario, siehe obenstehende Abbildung. In dieser Abbildung sind drei weitere Windmessungen eingetragen. Die stärkste Windböe (113 km/h, Quelle: Sturmarchiv) stammt vom Standort Basel St. Jakob-Park. Allerdings sind weder der Zeitpunkt dieser Messung noch die gemessene Windrichtung bekannt. Von der Meteoschweiz sind weitere Windmessungen an den Standorten Basel-Binningen und St. Chrischona-Turm verfügbar. Die dort gemessenen Böenspitzen sind geringer, aber die Windrichtungen bestätigen ein Auseinanderfliessen («divergente» Strömung) der Luftmasse zwischen den beiden Stationen, vgl. die Windvektoren in der obenstehenden Abbildung, gültig für den Zeitpunkt 20.55 Uhr.

Registrierung von meteorologischen Messdaten beim Kraftwerk Birsfelden. Zur
Bestimmung der Winddaten zum Zeitpunkt des Downbursts wurden einige Hilfslinien
eingezeichnet. Um 20.50 Uhr wird eine kräftige, kurzzeitige Böenspitze von 85 km/h
registriert. Die Windrichtung (mit einem roten Kreis markiert) ist zu diesem Zeitpunkt aus
Nordosten. Die Verläufe der Temperatur, des Luftdruckes und des Niederschlages reagieren
ebenfalls mit heftigen Ausschlägen zum gleichen Zeitpunkt.
Quelle: sturmarchiv.ch, Datenquelle: meteo.srf.ch

Windspitzen im Bereich des Downbursts
Es stellt sich die Frage, in welchem Bereich die maximalen Sturmböen des Downbursts einzuordnen sind. Die beiden Windmessungen im Schadenbereich geben nur eine sehr unvollständige Antwort. Die Böenspitzen variieren bei solch lokalen Sturmereignissen bereits auf einer Skala von 10 – 100 m. Die Schäden selbst geben mehr Aufschluss über die Sturmstärke, allerdings nur mit Hilfe von Erfahrungswerten, welche zur Definition von Schadenskalen geführt haben. Die bekannteste Skala ist die Fujita-Skala, welche im Jahr 2007 zur sog. „EF-Skala“ („enhanced Fujita-Skala“) modifiziert wurde. Aufgrund der Schadenbilder im Sturmarchiv gehen wir davon aus, dass mittelgrosse Bäume entwurzelt oder gebrochen sind. Damit liesse sich das Ereignis als EF1, vielleicht sogar als EF2 klassieren. Allerdings fehlen, nebst den gefallenen Bäumen, weitere Hinweise, welche die Stärke EF2 unterstützen. Wir gehen deshalb davon aus, dass die Spitzenböen im Bereich des Downbursts Geschwindigkeiten von ca. 150 km/h erreicht haben. Diese Werte sind wohl da und dort, aber nicht überall im Bereich des Downbursts aufgetreten. Höhere Spitzenwerte als 150 km/h (bis Stufe EF2 oder 200 km/h) würden wir nicht ausschliessen, aber von einer geringen Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens ausgehen. Diese Aussage liesse sich mit einer gründlicheren Auswertung der zahlreichen Schadenmeldungen weiter präzisieren. Hingegen kann der Kranschaden aus unserer Sicht nicht dazu verwendet werden, die Sturmstärke abzuschätzen, da es sich um ein unübliches Bauwerk handelt, für welches kaum genügend zahlreiche Schadenbeobachtungen aufgrund von Sturmböen vorliegen.

Druckminimum vor Eintreffen der Sturmböen
Zum Schluss dieses Blogs wenden wir uns nochmals der obenstehenden Messgrafik beim Kraftwerk Birsfelden zu. Nebst den Windböen und der Windrichtung sind auch die weiteren Ausschläge der Messkurven zum Zeitpunkt des mutmasslichen Downbursts bemerkenswert. In kurzer Zeit fielen etwas über 20 mm Niederschlag, und die Temperatur sank um 10 Grad. Sehr spannend ist der Druckverlauf. Ein kurzzeitiger Abfall des Luftdrucks um 6 hPa führt, vor Eintreffen der Sturmböen, zu einem Druckminimum, einer Art „Luftloch“. Wodurch wurde dieses Luftloch generiert? Wir haben eine einzige Publikation gefunden, in welcher ein mindestens qualitativ vergleichbarer Druckverlauf bei der Passage eines Downbursts gezeigt wird (Mahale und Zhang, 2016, siehe Figur 3a). In jener Studie wurde ca. 15 min vor Eintreffen der Downburst-Böen ebenfalls ein Druckminimum beobachtet. Der Druckabfall war mit 2 hPa deutlich weniger ausgeprägt als in unserem Fall. Nichtsdestotrotz könnte die bei Mahale und Zhang gegebene Interpretation des Druckminimums auch in unserem Fall zutreffen: „It is speculated that the pressure decrease ahead of the gust front was dynamically induced by converging and rising air along the leading edge of the gust front.“ Dies würde bedeuten, dass eine Aufwindzone, eine Art „Staubsauger“ über dem Standort der Druckmessung, den Druckabfall am Boden ausgelöst hat. Diese Annahme lässt sich nicht weiter verifizieren. Wir sehen sie jedoch trotzdem als plausibel an, vor allem deshalb, weil uns eine alternative Erklärung fehlt.

Wie häufig sind Downbursts?
Downbursts in der Schweiz sind keine seltenen Ereignisse. Auf jeden Fall sind sie markant häufiger als Tornados. Im Sturmarchiv sind über die letzten Jahre ca. 5 – 10 Downbursts pro Jahr dokumentiert. Aus dieser Angabe lässt sich mit einer Überschlagsrechnung die Wiederkehrperiode von Downbursts an einem festen Standort abschätzen. Für diese Milchbüechlirechnung müssen weitere Annahmen getroffen werden:
– Pro Jahr wird mit 10 Ereignissen gerechnet, unter der Annahme, dass nicht alle Ereignisse im Sturmarchiv erfasst sind.
– die unbewohnten Bergregionen werden ausgeblendet, ohne diese rechnen wir mit einer „bevölkerten Flachlandfläche“ von ca. 20’000 Quadratkilometer.
– Alle Downbursts haben eine „einheitliche“ Schadenfläche von 20 Quadratkilometern.
Mit diesen Annahmen dauert es 100 Jahre, bis die aufsummierte Schadenfläche der definierten Flachlandfläche entspricht. Die 100 Jahre können also als mittlere Wiederkehrperiode angesehen werden. Selbstverständlich gibt es markante lokale statistische Abweichungen. Wenn man ein statistisches Verteilmodell der Downburstflächen zugrundelegt, dann muss man über viele Jahrhunderte aufsummieren, bis sich die statistischen Zufallsschwankungen der Wiederkehrperiode ausgleichen. Es kommt dazu, dass sich die Wiederkehrperiode regional ändert, je nachdem, ob Gewitter mit Downburst-Potenzial häufiger oder weniger häufig sind. Und die Schadenfläche der Downbursts variiert selbstverständlich ebenfalls, wir wissen nicht, ob die angenommene mittlere Schadenfläche von 20 Quadratkilometern zutrifft oder nicht.

Gemäss den Klimaszenarien für die Zukunft wäre mit einer Zunahme von Schadenereignissen durch Downbursts in der Schweiz zu rechnen. Da sich die Polregionen stärker erwärmen als die Tropen, dürfte sich in Zukunft der Jetstream in mittleren Breiten abschwächen. Der 26.7.2019 war ein typischer Gewittertag, wie er in Zukunft öfters auftreten kann: begleitet von schwachen Höhenwinden (schwacher oder nicht existierender Jetstream) in einer Umgebung, in welcher die Luftfeuchtigkeit vielerorts, aber nicht überall für die Gewitterbildung ausreicht. Demgegenüber scheinen Gewittertage mit starken Höhenwinden (starker Jetstream) – ideal für die Bildung von Superzellen mit langen Hagelzügen und gelegentlichen Tornados – seltener zu werden. Dies war jedenfalls auch mein persönlicher Eindruck der letzten Jahre. Somit dürfte es sich lohnen, dem Phänomen der Downbursts in der Schweiz mehr Beachtung zu schenken.

Dieser Blog entstand aus einem internen Bericht zu Handen eines Kunden von meteoradar. Wir danken den Betreibern des Sturmarchivs für ihre langjährige, hartnäckige und sorgfältige Erhebung der meteorologischen Schadenereignisse in der Schweiz.

Nationales Hagelprojekt – Aufbereitung historische Hageldaten

Hagelwolken über dem Jura, 3.6.2019. Foto: W. Schmid

Im Mai 2018, vor einem Jahr, begann ein nationales Forschungsprojekt zur Erfassung des Hagelrisikos in der Schweiz.

Federführend in diesem Projekt ist die Meteoschweiz, welche in den letzten Jahren massiv in die Modernisierung ihrer Messsysteme zur Erfassung der Hagelschläge investiert hat. Nebst einer neuen Radargeneration mit Polarisationstechnik (im Betrieb ab 2012) und dem Aufbau eines automatischen Hagelmessnetzes am Boden (80 Hagelsensoren im Jura, Napfgebiet und Südtessin) wird mit einer App auch die Bevölkerung ermuntert, Rückmeldungen über Hagelschläge und die Grösse von Hagelkörnern zu geben.

Wie die Meteoschweiz selbst in einem ihrer Blogs schreibt, sind die Messreihen dieser neuartigen Messsysteme zu kurz für eine klimatologische Auswertung. Nimmt man die Messdaten des Radars ohne die neue Polarisationstechnik dazu, dann verlängert sich die Reihe auf aktuell 17 Jahre (ab 2002). Das reicht für die Berechnung der Wiederkehrperiode von kleineren Hagelschlägen. Bei grossen aber seltenen Ereignissen (Wiederkehrperiode über 20 Jahre) nimmt die Präzision solcher Berechnungen rasch ab. In der Regel wird dabei angenommen, dass sich das Hagelklima nicht ändert, dass also das Hagelrisiko in 50 Jahren immer noch das gleiche ist, wie es in den letzten 17 Jahren beobachtet worden ist. Im Zeitalter des menschengemachten Klimawandels ist das eine höchst spekulative und kaum ernsthaft vertretbare Annahme. Ein gangbarer Weg ist die Simulation des zukünftigen Hagelrisikos in Klimamodellen, hierzu aber muss bekannt sein, wie sich das Hagelrisiko bei Klimaschwankungen verhält.

Es ist deshalb naheliegend, bei der Beurteilung des zukünftigen Hagelrisikos auch auf Daten zurückzugreifen, welche weit über die letzten 20 Jahre hinaus in die Vergangenheit zurückreichen. Solche Messreihen sind äusserst wertvoll, um Trends und periodische Schwankungen der Hagelhäufigkeit zu erfassen und im Kontext mit anderen meteorologischen Messgrössen (Temperatur, Niederschlag, Wind, Wetterlagen etc.) auszuwerten. Wir erwarten aus solchen Datenreihen fundamentale Erkenntnisse, welche die Fehlerschranken berechneter Wiederkehrperioden verkleinern und so das zukünftige Hagelrisiko besser fassbar machen.

Das Hagelkonsortium H2016 (Meteotest AG, meteoradar gmbh und H.H. Schiesser) hat sich als Projektpartner des nationalen Hagelprojektes zum Ziel gesetzt, Langzeitreihen zu Hagelschlägen in der Schweiz aufzuarbeiten und in eine homogene Klimareihe überzuführen. Die bedeutendste Chronik stammt von der Schweizer Hagel und umfasst Schadenmeldungen aus den Schweizer Gemeinden seit 1881. Dazu kommen eine Chronik des Rückversicherungsverbandes (1850 – 1935) und die Annalen der Meteoschweiz (ehemals SMA) seit 1864. Weitere Reihen sind jüngeren Datums, liefern aber wertvolle Detailinformationen zum Hagelgeschehen: Messdaten von Hageldetektoren und Radardaten aus der Zeit des Grossversuchs IV der ETH (1970 – 1983), auf Film archivierte, teils digitalisierte Radarbilder der Meteoschweiz seit 1983, und gesammelte Hagelmeldungen und Berichte aus den Medien, dem Sturmforum (sturmforum.ch) und dem Sturmarchiv (sturmarchiv.ch). Wir werden in weiteren Blogbeiträgen auf die Langzeitreihen, deren Auswertung und Resultate zurückkommen.

Stefan Müller, Meteotest
H.H. Schiesser, ehem. ETH-Mitarbeiter
Willi Schmid, meteoradar

Referenz: https://www.meteoschweiz.admin.ch/home/suche.subpage.html/de/data/blogs/2019/4/eine-hagelklimatologie-fuer-die-schweiz.html

Karte der Gemeinden mit Schadenmeldungen durch Hagel (rot eingefärbt) am 23.5.1950. Quelle: Schweizer Hagel, Meteotest AG

Kälteeinbruch ab 24.04.2016

Grossräumige Verteilung der Luftmassen (Temperatur in rund 1400 m Höhe) und steuernde Druckgebilde am Montag, 25.04.2016

Grossräumige Verteilung der Luftmassen (Temperatur in rund 1400 m Höhe) und steuernde Druckgebilde am Montag, 25.04.2016

Den guten alten Mr. Murphy kennt wahrscheinlich jeder. Das Wetter als chaotisches System hält bestimmt wenig von seinem Gesetz, und trotzdem bahnt sich derzeit in der unglaublich aufgeheizten nördlichen Hemisphäre die unglaublich unwahrscheinliche Variante an, dass genau der kleine Rest kältester Polarluft, die irgendwo im Hohen Norden noch herumlungert, auf dem direktesten Weg nach Mitteleuropa findet. Dies wohlverstanden nach einem bisher sehr milden April, in dem die Natur weit fortgeschritten ist. Wenn die aktuellen Prognosen so eintreffen, dürften in Mitteleuropa einige Rekorde purzeln, die mindestens seit dem April 1991, womöglich aber sogar seit 1959 Bestand haben. Dies sowohl was die späteste Schneedecke in tiefen Lagen, als auch die tiefsten Temperaturen in einem letzten Aprildrittel betreffen. Aber schön der Reihe nach…

Über dem Nordatlantik baut sich in diesen Tagen ein umfangreiches, blockierendes Hochdruckgebiet auf. Gestützt wird es durch die warme Südströmung aus den Subtropen bis an die Westküste Grönlands auf der Vorderseite eines kalten Trogs über Ostkanada. An der Ostflanke des Hochs stellt sich eine markante Nordströmung ein, welche die noch vohandene Polarluft im Nordosten Grönlands anzapft:

Abweichung der aktuellen Lufttemperatur 2 m über Grund zur Klimanorm. Quelle: karstenhaustein.com

Abweichung der aktuellen Lufttemperatur 2 m über Grund zur Klimanorm. Quelle: karstenhaustein.com

Weite Teile der Arktis sind seit Monaten extrem warm, einzig im Bereich von Nordkanada bis Nordgrönland hat sich noch ein hartnäckiger Rest sehr kalter Luft halten können. Es gäbe viele Möglichkeiten und Wege, wie diese Arktikluft nach Süden ausbrechen könnte. Bei einem normal aktiven Atlantik würde diese Luftmasse zum Beispiel in einem weiten Bogen über den milden Atlantik geführt und Europa als gemässigte Polarluft aus Westen erreichen. Im April erreicht aber die Tiefdruckaktivität im Nordatlantik das im Jahresverlauf statistische Minimum. Nistet sich nun genau dort ein Hochdruckgebiet ein (und nicht etwa etwas weiter westlich oder östlich) nimmt die arktische Luftmasse den direkten Weg über das europäische Nordmeer und die Nordsee zu uns. Folgende Karte zeigt uns, dass der Atlantik an der Ostküste Grönlands derzeit noch vereist ist, und sich eine Zunge kalten Wassers östlich von Island nach Südosten erstreckt:

20160420-3Interessanterweise nimmt das Luftpaket, das am Montag in der Schweiz eintreffen soll, genau den Weg über das Gebiet mit den tiefsten Wassertemperaturen, und kann somit kaum erwärmt werden:

20160420-4Massgeblich für das, was bei uns am Montag am Boden eintrifft, ist die rote Spur. Sie liegt während des ganzen Wegs während einer Woche direkt auf Meereshöhe, könnte also theoretisch Energie vom Atlantik aufnehmen. Bei genauerem Hinschauen erkennt man aber, dass das Luftpaket beschleunigt und der Weg über die wärmere Nordsee in nur gerade 48 Stunden zurückgelegt wird. Die Karte mit den Wassertemperaturen zeigt uns, dass es keinen besseren als den prognostizierten Weg für die kalte Luftmasse gibt, um möglichst wenig Wärme vom Meer aufzunehmen. Auf der Temperaturkarte von Samstagabend erkennt man sehr gut, wie sich die Kaltluftzunge über das Nordmeer nach Süden voran arbeitet:

20160420-5 So viel also zu Murphys Gesetz. Wenden wir uns nun den Auswirkungen auf Mitteleuropa zu. Die Karte mit den Abweichungen der Lufttemperatur in 2 m Höhe gegenüber dem langjährigen Mittel für Montag zeigt ein schon lange nicht mehr gesehenes Bild:

20160420-6Im südlichen Mitteleuropa werden Abweichungen von 8 bis 12 Grad zur jahreszeitlichen Norm berechnet. Dargestellt sind auch die Windströmungen in rund 1400 m Höhe, was den Weg der kalten Luftmasse bis zu uns noch mal verdeutlicht.

Interessant ist auch die relative Einigkeit der Ensemble-Läufe betreffend dieses Kaltlufteinbruchs, was uns bereits vier bis fünf Tage vor dem Ereignis eine ziemlich gesicherte Prognose ermöglicht:

Ensemble-Prognosen für den Gitterpunkt im zentralen Schweizer Mittelland

Ensemble-Prognosen für den Gitterpunkt im zentralen Schweizer Mittelland

Demnach erreicht uns die kalte Luft in der Nacht auf Sonntag, die Schneefallgrenze sinkt hier bereits bis in tiefe Lagen (im Mittel um 600 m, bei intensivem Niederschlag wahrscheinlich tiefer). Bedingt durch den schon recht hohen Sonnenstand und diffuse Strahlung dürfte der Schnee am Montag tagsüber unterhalb von 600 m kaum liegenbleiben. Sollten die Niederschläge im Nordstau der Alpen aber noch bis weit in den Montagabend anhalten, ist eine dünne Schneedecke auch im Flachland nicht auszuschliessen. Nach jetzigem Fahrplan (der allerdings im Detail noch etwas ändern kann) erreicht uns in der Nacht auf Dienstag trockenere Luft, sodass es verbreitet aufklart. Also ist mit den tiefsten Temperaturen dieses Kälteeinbruchs am Dienstagmorgen zu rechnen. Empfindliche Fröste bis zu -5 Grad sind in windgeschützten Lagen des Flachlands durchaus im Bereich des Möglichen, in höheren Lagen sind auch zweistellige Minuswerte wahrscheinlich.

Wie die Ensemble-Kurven zeigen, erholt sich die Temperatur in der Folge nur langsam. Werte um die jahreszeitliche Norm sind wohl erst zum Wochenende bzw. Monatswechsel zu erwarten. Da diese Blockadelagen im Frühling eine hohe Erhaltungsneigung aufweisen, ist mit weiteren Kälterückfällen auch im Mai zu rechnen. Aufgrund des steigenden Sonnenstands sind derart extreme Werte wie jetzt gezeigt dann aber nicht mehr möglich.

Mit Schweizer Schneekanonen gegen den Klimaschock

Wetterlage für den kommenden Freitag, Quelle: ecmwf.int. Speziell markiert ist das Grönlandhoch und die NE-Strömung auf dessen SE-Flanke, welche eisige Luftmassen bis nach Spanien verfrachtet.

Klimaforscher wissen es schon längst: Das garstige Winterwetter in diesem Frühjahr in weiten Teilen Europas hat seinen Ursprung im schmelzenden Polareis, siehe den Link am Schluss dieses Artikels. Eine eisfreie Nordsee führt zu einem stabilen Grönlandhoch, auf dessen SE-Flanke eisige Sibirienluft aus Nordrussland nach Europa verfrachtet wird. (Beispiel: Vorhersagekarte des ECMWF-Modells für den kommenden Freitag, siehe Grafik) Die Luft ist nicht nur kalt, sondern auch feuchtneblig-trüb, die Sonne verschwindet während Wochen und Monaten hinter schadstoffbeladenen Stratuswolken. Diese Wetterlage wird in Zukunft nicht mehr die Ausnahme, sondern die Regel werden. Die Folgen kann man sich leicht ausdenken. Ein riesiger Energieverbrauch einer depressiven und krankheitsanfälligen Bevölkerung wird auf uns zukommen. Ein höchst unappetitilicher und wirtschaftskillender Alptraum für unsere Zukunft in Zentraleuropa. Profitieren werden die im Süden angrenzenden Subtropenregionen: das Mittelmeer und die Sahara. Die nach Süden abgedrängte Westwinddrift wird diesen Regionen abwechslungsreichere und vor allem niederschlagsreichere Witterung bescheren. Politwissenschaftler sehen bereits riesige Auswanderungsströme in Richtung Süden auf uns zukommen. Die daraus entstehenden Konflikte sind vorprogrammiert, die Hunnen lassen grüssen.

Aufhalten liesse sich dieses Szenario nur, wenn es gelänge, das Schmelzen des Polareises im Sommer zu verlangsamen. Genau da kommen nun die Schweizer Schneekanonen ins Spiel, welche im geschilderten kalt-feuchten Zukunftsszenario eh nicht mehr gebraucht werden. Die Idee ist, die Schneekanonen auf dem Polareis oder auf Schiffen am Eisrand zu positionieren und die Eisoberfläche zu beschneien. Damit hätte man gleich den Fünfer und das Weggli im Sack:
– man würde mit dem Kunstschnee langfristig eine grössere Eismasse generieren.
– der Kunstschnee wäre weiss (im Gegensatz zu der aerosolverschmutzten natürlichen Schnee-/Eisoberfläche), das Sonnenlicht würde reflektiert, und die Oberfläche würde langsamer schmelzen.

Berechnungen von namhaften ETH-/UNI-Instituten haben gezeigt, das nur schon das Beschneien des Eisrandes den Schmelzprozess so stark aufhalten kann, dass innert weniger Jahre der Eiszustand der Nordsee des letzten Jahrhunderts wiederhergestellt werden könnte. Um die Berechnungen durch Experimente bestätigen zu können, werden ab heute Ostermontag Beschneiungsexperimente mit Schneekanonen auf noch zugefrorenen Schweizer Bergseen durchgeführt. Diese Versuche werden sich die kommenden Monate hinziehen. Dabei wird jeweils nur ein Teil eines Sees beschneit, um dann Vergleiche von beschneiten und nicht beschneiten Seeflächen durchführen zu können.

Eine Gruppe von interessierten Wissenschaftlern und Politikern aus Dänemark und Grönland wird heute den Start der Versuche im Engadin mitverfolgen. Die Details werden geheimgehalten, da zu grosse Besucherstöme die Ergebnisse verfälschen können. Wir verfügen aber über einige von den Behörden genehmigten Zulassungslizenzen, welche wir bei Bedarf an Interessenten abgeben können.

Offen bleibt die Frage, ob die Schneekanonen mit dem Salzwasser des Meeres zurecht kommen. Unter Umständen sind grössere Modifikationen an der Technologie der Schneekanonen unumgänglich. Ein entspr. Forschungsprojekt ist in Vorbereitung und soll nach den Versuchen in diesem Frühjahr an die zuständige EU-Kommission eingereicht werden. So oder so wird es einige Jahre brauchen, bis die Technik für den operativen Grosseinsatz bereitsteht. Hoffentlich ist es dann nicht zu spät.

Blog-Artikel von Stefan Rahmstorf zum Thema ‚Eisschmelze und kaltes Wetter‘

Mildwinter = kalter Spätwinter – ein Widerspruch?

Grosswetterlage über Europa am 4. Februar 2012

Grosswetterlage über Europa am 4. Februar 2012

In der Nacht auf den 4. Februar sind im Schweizer Mittelland vielerorts die tiefsten Temperaturen seit 1987 gemessen worden. Manche Stationen tauchten unter -20 Grad, selbst in den grösseren Städten wurden zwischen -15 und -19 Grad gemessen. Das mag nach dem bisherigen Mildwinter erstaunen, jedoch nur auf den ersten Blick.

Was genau ist geschehen? Bis Mitte Januar hatte das Westwindregime mit milden atlantischen Luftmassen ganz Europa fest im Griff und nichts deutete darauf hin, dass dies in diesem Winter noch ändern könnte. Denn sämtliche Parameter für eine Fortsetzung des Mildwinters waren gegeben, und eigentlich sind sie auch heute noch vorhanden. Einerseits ist dies die positive Temperaturanomalie über weiten Teilen des Nordatlantiks, wie sie die aktuelle Karte zeigt:

Abweichung der Wassertemperatur gegenüber dem Klimamittel (Quelle: NOAA)

Abweichung der Wassertemperatur gegenüber dem Klimamittel (Quelle: NOAA)

Weiter fällt der extreme Temperaturgegensatz der Wasseroberfläche vor der Ostküste Nordamerikas auf. Diese ist sozusagen der Antrieb für die Produktion immer neuer Tiefdruckgebiete über dem Atlantik, was wiederum ein Garant für milde Westwinde bis nach Europa sein sollte. So zeigt denn auch der Index der Nordatlantischen Oszillation (NAO) weiterhin positive Werte an (Erklärungen dazu siehe Blogbeitrag vom 10. Dezember 2011):

NOA-Index, Messwerte und Prognose für Februar (Quelle: NOAA)

NOA-Index, Messwerte und Prognose für Februar (Quelle: NOAA)

Bei solchen Grosswetterlagen könnte man mit grosser Wahrscheinlichkeit auf die Fortsetzung des Mildwinters wetten, doch gibt es einen unberechenbaren Spielverderber: den sibirischen Kaltluftkörper. Dieser bildet sich in jedem Winter über der Nordhälfte der Eurasischen Kontinentalmasse aus, bedingt durch die langen Nächte und den geringen maritimen Einfluss. Er wächst im Lauf des Winters immer mehr an, bis im März die tägliche Sonneneinstrahlung die nächtliche Auskühlung wieder übersteigt und die Luftmasse über dem Kontinent allmählich durch die Sonne erwärmt wird. Die grösste Mächtigkeit erreicht dieser Kaltluftkörper somit erst in der zweiten Winterhälfte.

Da kalte Luft schwerer ist und eine grössere Dichte aufweist als Warmluft, kann man sich diesen Kaltluftkörper in etwa vorstellen wie zähflüssigen Honig: Von oben tropft immer mehr nach und am Boden breitet sich die klebrige Masse langsam in alle Richtungen aus. Dies erklärt die Bildung eines kräftigen Hochdruckgebietes am Boden, während in der Höhe eigentlich tiefer Luftdruck herrscht (gut zu sehen auf der Titelbildkarte). Das Höhentief saugt laufend neue Luft an, die sich über dem Kontinent in der Polarnacht extrem abkühlt, zu Boden sinkt und so den immerwährenden Nachschub an neuer Kaltluft gewährleistet. Erleidet nun die nach Europa gerichtete Westwinddrift über dem Atlantik einen Schwächeanfall wie dies Ende Januar (siehe NAO-Verlauf) der Fall war, hat der kalte „Honig“ leichtes Spiel und überflutet Europa von Nordosten her. Die leichtere Warmluft aus Westen prallt auf dieser zähen Masse auf und kann nur nach Norden oder nach Süden ausweichen. Derzeit tut sie dies eher Richtung Norden, so weisen z.B. Island und Spitzbergen aktuell für die Jahreszeit deutlich zu milde Werte auf.

Ein Kälteeinbruch nach einem milden Winterbeginn ist somit nie auszuschliessen, die Voraussetzungen dafür liefern ganz einfach die klimatischen Voraussetzungen Europas zwischen einem sehr milden Ozean (Golfstrom) und einem extrem kalten Kontinent. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Mildwinter in einen kalten Spätwinter kippt, liegt bei etwa 50 %. Die Auswertung der Winterverläufe der letzten 30 Jahre zeigt, dass im Schnitt jeder 4. Winter ein ähnliches Muster aufweist:
– 2004/05: mild bis Mitte Januar, extrem kalt Ende Februar bis Anfang März
– 2002/03: extrem mild bis Anfang Januar, zwei Kälteperioden Mitte Januar und Mitte Februar
– 1992/93: der erste Schnee des Winters fällt erst Ende Februar mit einem Kaltlufteinbruch aus Osten
– 1990/91: mild bis Mitte Januar, extrem kalt Ende Januar bis Mitte Februar
– 1987/88: extrem mild bis Mitte Februar, Kälte Ende Februar bis Anfang März
– 1985/86: mild bis Ende Januar, extrem kalt im ganzen Februar bis Anfang März
– 1982/83: eigentliche Winterkälte trat fast ausschliesslich im Februar auf

Wie geht es nun weiter? So wie man auch den Honig nur schwer vom Brot blasen kann, genau so wird die durchaus vorhandene Westwinddrift Mühe haben, die bodennahe Kaltluft auszuräumen. Zumal aus Osten der Kältenachschub noch mindestens eine Woche anhält. Wahrscheinlich ist danach eine rasche Erwärmung in der Höhe, während es in den Niederungen nur zaghaft in Richtung durchschnittliche Wintertemperaturen knapp unter dem Gefrierpunkt geht.

Westlagen-Winter?

Abweichung der Wassertemperatur im Nordatlantik Ende November (Quelle: NOAA)

Abweichung der Wassertemperatur im Nordatlantik Ende November (Quelle: NOAA)

Mit dem Monat Dezember hat sich nicht nur der meteorologische Winter eingestellt, fast gleichzeitig stellte sich die Grosswetterlage über dem Nordatlantik und Europa grundlegend um. Eine kräftige Westströmung hat die Regie über unser Wetter übernommen und bringt nicht nur Stürme, sondern auch viel Niederschlag und für die Jahreszeit deutlich zu milde Temperaturen. Lässt sich daraus ableiten, wie der Winter 2011/2012 generell verlaufen wird?

Die sehr lange und ausgeprägte Hochdrucklage über Europa im Herbst war auf einen negativen Index der Nordatlantischen Oszillation (NAO) zurückzuführen. Der NAO-Index drückt vereinfacht gesagt das Verhältnis zwischen Islandtief und Azorenhoch aus. Sind die Gegensätze zwischen den beiden Druckgebilden ausgeprägt, wird der NAO-Index positiv, sind die Druckzentren verschoben oder schwach ausgebildet, spricht man von einem negativen NAO-Index. Bei deutlich positiven NAO-Index-Lagen ist die vom Nordatlantik nach Europa gerichtete Westströmung stark ausgeprägt, bei negativem Index ist die Westströmung schwach, dann herrschen über dem Kontinent häufig Nord-, Süd- oder gar Ostlagen, sowie längere windschwache Hochdrucklagen, wie wir dies im vergangenen Herbst erlebt haben.

NAO-Index, Messwerte und Prognose für Dezember (Quelle: NOAA)

NAO-Index, Messwerte und Prognose für Dezember (Quelle: NOAA)

Einiges deutet darauf hin, dass sich nun eine längere NAO+ Lage einstellt:
– die Wassertemperatur an den Küsten Westeuropas weicht positiv zur jahreszeitlichen Norm ab
– die Wassertemperatur vor der Südostküste Grönlands bis zum zentralen Nordatlantik ist eher kühl
– der subtropische Atlantik vor der Ostküste der USA ist eher zu warm

Eine solche Verteilung der Wassertemperaturen fördert oft über längere Zeit die Entstehung von Höhentiefs (Trögen) über dem zentralen Nordatlantik, woraus immer wieder kräftige Sturmtiefs resultieren. Diese sorgen für die ausgprägte Westströmung, begleitet von zu hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchte, also überdurchschnittlichen Niederschlägen. Die Konstellation lässt einen milden und zu nassen Winter in der Nordhälfte Europas erwarten, während im Mittelmeerraum ein durchschnittlicher bis leicht zu kühler und zu trockener Winter ansteht. Die Grenze bildet der Alpenbogen, entsprechend wird ein solcher Winter an der Alpennordseite zu nass und nur in hohen Lagen schneereich ausfallen, während an der Alpensüdseite Schnee wahrscheinlich zu einem seltenen Gut werden dürfte.

Das Langfristmodell des amerikanischen Wetterdienstes hat diesem Umstand bereits Rechnung getragen (links die Temperaturabweichung, rechts die Niederschlagsabweichung zum Klimamittel):

CFS Langfristprognose Dez-Feb (Quelle: NOAA)

CFS Langfristprognose Dez-Feb (Quelle: NOAA)