28.7.2020: Ausbruch von Superzellen?

Blick von Sellenbüren in Richtung SW auf eine der zahlreichen Superzellen des Tages

Nein, Superzellen haben nichts mit Superspreader zu tun, und noch viel weniger mit Superviren. Superzellen sind eine spezielle Klasse von Gewittern, nämlich solche, bei welchen der Aufwind rotiert. Dieser rotierende Aufwind wird auch als „Mesozyklone“ (oder „Mesoantizyklone“) bezeichnet, je nach dem Drehsinn der Rotation (im Gegenuhrzeigersinn bei den Mesozyklonen). Superzellengewitter sind gefürchtet, weil sie gerne von Hagel, Sturmböen, Sturzfluten und Tornados begleitet sind. In der Schweiz sind Superzellen in den letzten Jahren, mindestens nördlich der Alpen, seltener geworden. Das hängt mit der Stärke des Höhenjets im mäandrierenden Westwindgürtel der mittleren Breiten zusammen. Wird der Höhenjet schwächer (als Folge der Klimaerwärmung), dann werden die Scherzonen seltener, welche für den Aufbau von Rotation in der Aufwindzone von Gewitterzellen nötig sind.

Ganz im Gegensatz zum beschriebenen Trend der letzten Jahre war der Hochsommer 2020 bislang durch eine länger dauernde und nur schwach mäandrierende Westwindströmung geprägt. In dieser Strömung eingebettet sind in den letzten Wochen eine Serie von Kurzwellentrögen schleifend vorbeigezogen. Der Höhenjet des letzten Troges hat den Alpenraum am 28.7.2020 jedoch voll erfasst. Vom Boden bis in 3 km Höhe nahm die Windstärke um über 60 km/h zu. Dadurch entstand eine ideale Scherung für den Aufbau von rotierenden Aufwinden und von Superzellen. Ab dem Mittag bis weit in die Nacht bildeten sich vor allem in der Ostschweiz und den Alpen entlang eine Vielzahl von Gewitterzellen, welche rasch nordostwärts und ostwärts weiterzogen und vielerorts für heftige Hagelschläge sorgten. Der von Christian Matthys im Sturmforum bereitgestellte Radarloop vom 28.7.2020 (vielen Dank!) gibt einen guten Überblick über das Geschehen während der 14-stündigen Gewitterperiode.

Aber waren die zahlreichen Gewitterzellen dieses Tages auch Superzellen?
Über diese Frage wurde im Sturmforum bereits ausgiebig diskutiert. Vortex-Signaturen von Dopplerwindmessungen in mittleren Höhen (typischerweise 5 km) könnten die Existenz von Mesozyklonen belegen. Solche Daten sind leider nicht verfügbar, der Feldberg-Radar als mögliche Datenquelle ist zu weit weg. Aus diesem Grund behelfen wir uns mit einer Analyse des Umgebungswindes. Für diese stark vereinfachte Betrachtung nutzen wir die Erfahrung, dass die Geschwindigkeit von Gewitterzellen etwa der Windgeschwindigkeit in 3 km Höhe (700 hPa) entspricht. In niedrigen Höhen ist die Windstärke in der Regel geringer, also kriegt die Gewitterzelle ihr „Futter“ (= energiereiche Bodenluft) aus einer Schicht vom Boden bis ca. 3 km Höhe. Rotiert die einfliessende bodennahe Luftschicht (der Fachmann spricht von „streamwise Vorticity“), dann wird die Rotationsachse von der Horizontalen in die Vertikale gekippt, und die einfliessende Luft wird als Mesozyklone (= rotierender Aufwind) zum Zentrum der Gewitterzelle.

Werte von über 150 m2s-2 der sog. „storm-relative“ Helicity (auch „SREH“ genannt) sind ein guter Indikator für Mesozyklonen. Diese Grösse kann aus dem Vertikalprofil (0 – 3 km Höhe) des Horizontalwindes und dem Bewegungsvektor der Gewitterzellen ermittelt werden. Das entscheidende Hilfsmittel hierzu ist der Hodograph: eine Darstellung, in welcher die Vektorspitzen der Windvektoren und des Bewegungsvektors der Gewitterzelle mit einer Linie verbunden werden. Die dabei umschlossene Fläche, multipliziert mit dem Faktor 2, ergibt dann die SREH.

Wir haben die Zugrichtung und die Zuggeschwindigkeit von neun besonders langlebigen (> 60 min) Gewitterzellen ausgewertet. Die Zugbahnen sind in der folgenden Abbildung eingetragen. Es zeigt sich ein für solche Wetterlagen typisches bimodales Muster der Bewegungsrichtung. Dementsprechend können die neun Zellen in 5 „Rechtsläufer“ („right mover“) und 4 „Linksläufer“ („left mover“) aufgeteilt werden.

Die Zugbanen von 9 besonders langlebigen Gewitterzellen, 5 „right mover“ (rot) und 4 „left mover“ (gelb).

Und dies sind die Mittelwerte der Bewegungsvektoren (Azimuth 0 Grad bedeutet Bewegung in nördliche Richtung, 90 Grad in östliche Richtung usf.):

Right mover (Mittelwerte von 5 Zellen)
Azimuth/Geschwindigkeit:  95 Grad/56 km/h

Left mover (Mittelwerte von 4 Zellen)
Azimuth/Geschwindigkeit:  63 Grad/64 km/h

Zur Charakterisierung des Umgebungswindes in der freien Atmosphäre verwenden wir die Radiosondierungen von Payerne, wohl wissend, dass eine detaillierte Analyse der lokalen Windverhältnisse den Rahmen dieses Blogbeitrages bei weitem sprengen würde. Der Einfachheit halber werten wir nur die Höhenlevel Boden, 700 hPa und 500 hPa aus. Für eine umfassende grafische Darstellung der Sondierungsdaten (inkl. Hodographen) verweisen wir auf die Auswertungen von Bernhard Oker.

Die folgenden Diagramme zeigen die Wind-Hodographen (blaue Linie) der Payerne-Sondierungen vom Mittag des 28.7. und der kommenden Nacht. Die mittleren Bewegungsvektoren der Gewitterzellen sind mit blauen Kreuzen markiert. Die Berechnung der SREH führt zu einem klaren Resultat:
nur die Rechtsläufer haben „superzellenfördernde“ Werte der SREH von über 150 m2s-2.

Entscheidend für die Umsetzung einer hohen Windscherung in eine hohe SREH ist eine erhebliche Abweichung der Bewegungsrichtung einer Gewitterzelle von der Windrichtung in 700 hPa.

Dies ist eine einfache Regel, welche rasch und unkompliziert geprüft werden kann, sobald die Bewegungsrichtung einer Gewitterzelle klar erkennbar ist. Zusammengefasst bedeutet dies, dass am 28.7.2020 nur die Rechtsläufer mit guter Gewissheit als Superzellen angesehen werden können.

Wind-Hodograph des Payerne-Sondierungen vom 28.7.2020 12z und 29.7.2020 00z. Zusätzlich sind die gemittelten Bewegungsvektoren der right-mover und left-mover eingetragen. Aus den farbigen Flächen wurde die SREH berechnet. Die SREH der right-mover entspricht selbstversändlich der roten + der orangenen Fläche.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bei den Linksläufern ist zumindest ein Fragezeichen zu setzen. Beim Betrachten der Zugbahnen der 9 untersuchten Gewitterzellen (siehe oben) fällt auf, dass die Linksläufer bis auf eine Ausnahme entlang der Voralpen entstanden sind. Es wäre denkbar, dass die Payerne-Sondierung die Windverhältnisse in den Voralpen nicht realistisch wiedergibt, dass, zum Beispiel, der Wind in 700 hPa mehr aus nördlicher Richtung in die Zellen einfliesst und die SREH höher ist als berechnet. Die Windmessung auf dem Titlis (3100müM) spricht eher dagegen. Bis ca. 16 Uhr stimmt die Windrichtung gut mit der Payerne-Sondierung überein. Danach dreht zwar der Wind stufenweise etwas mehr in westliche Richtung, aber der Titlis war nach 16 Uhr voll im Einfluss durchziehender Gewitterzellen. Die Winddrehung könnte sich outflowbedingt geändert haben, zudem kann das Gelände die Windmessung beeinflussen.

In einer Studie  von Houze et al. (1993) wurden die Linksläufer im Alpenraum im Detail untersucht. Dabei wurde die folgende Schlussfolgerung gezogen:

„However, the left-moving members of the splits are not similar to … . They are not ordinary cells, nor are they classic supercells, but rather of some intermediary structure.“

Ob Superzelle oder nicht – Fact ist, dass die Linksläufer am 28.7.2020 den Rechtsläufern betr. Stärke und Lebensdauer ebenbürtig waren. Auch grosser Hagel konnte den Linksläufern zugeordnet werden. Linksläufer können also genauso gefährlich sein wie die Rechtsläufer, welche hierzulande in der Regel die grössten Alphatiere im Haifischbecken der Gewitterzellen hervorbringen. Die Frage ob Superzelle oder nicht ist, im Hinblick auf Hagel, Starkniederschlag oder Sturmböen, eher von untergeordneter Bedeutung. Dies gilt aber nicht im Hinblick auf das Tornadorisiko. Hohe Werte der SREH weisen auf ein erhebliches Tornadorisiko hin, und dieses Risiko scheint den Rechtsläufern vorbehalten. In der Tat können nordhemisphärenweit nur sehr wenige Tornadoereignisse den Linksläufern zugeordnet werden.

Zurück zur Titel: dieser sollte korrekterweise in „Ausbruch von rechtsziehenden Superzellen“ abgeändert werden.

 

 

 

 

 

Gewitterrückblick 01.07.2020

Eine sehr dankbare Zeit für die Blitzfotographie ist die Abenddämmerung. Dieser Schnappschuss gelang von Sellenbüren Richtung Süden, kurz bevor es komplett dunkel wurde.

Wir möchten Fabienne’s Gewittervorschau vermehrt mit einem Gewitterrückblick ergänzen. Der erste Tag des zweiten Sommermonats war ein sehr ausgiebiger Gewittertag. Auf der Vorderseite eines flachen Gewittertroges war es eher schwachwindig. Trotzdem gab es einige gut organisierte Gewittersysteme, welche da und dort auch mittelgrossen Hagel im Gepäck hatten. Die Orographie war einmal mehr prägend für die Gewitterentwicklung. Dank klarer Luft war die Beobachtung der Gewitter für Sturmjäger und weitere Interessierte ein Genuss. Die Resultate, zahlreiche Fotos und auch Videos werden jeweils im Sturmforum (sturmforum.ch) publiziert.

Die Regensummenkarten (meteoradar.ch/regenkarten) zeigen exemplarisch die für instabile Sommertage charakteristische Gewitterentwicklung: zuerst im Jura, gefolgt von den Voralpen und schliesslich am Abend im Mittelland. Aufgrund dieser Karten können auch gleich drei massgebende Gewitterzüge identifiziert werden:

– im Jura (13 – 16 Uhr) von Tavannes bis Breitenbach
– in den Voralpen (16 – 19 Uhr) vom Entlebuch zum oberen Zürichsee
– im Mittelland (19 – 02 Uhr) von Fribourg zum oberen Zürichsee

Die Regensumme überschritt vielerorts 20 mm in kurzer Zeit, vereinzelt gab es auch mehr als 40 mm. Das Maximum des SMN Messnetzes der Meteoschweiz wurde mit 40 mm in Engelberg registriert. Das sind keineswegs ungewöhnliche Werte für Sommergewitter, grössere Schäden durch Überflutungen sind unseres Wissens zum Glück weitgehend ausgeblieben. Etwas weniger günstig dürfte die Bilanz bei den Hagelschäden aussehen. Das Voralpengewitter (16 – 19 Uhr) war für die stärksten Hagelsignaturen des Tages verantwortlich. Dabei waren 3 Zentren auszumachen: etwa bei Büren (Nidwalden), Sattel (Schwyz) und Schmerikon (St. Gallen). Aus diesen Gegenden liegen Hagelmeldungen mit Korndurchmesser im Bereich von 2-4 cm vor. Das entspricht etwa den Schätzwerten aufgrund der Radarmessdaten. Es ist zur Zeit offen, ob dieses linkssziehende Voralpengewitter Merkmale einer Superzelle aufwies. Hierzu müssten Dopplerwinddaten nachgeprüft werden. Abgesehen von diesem Gewitter gab es kaum Hinweise auf Superzellen an diesem Tag.

Regensummenkarte 3 Std., 1.7.2020, 13 – 16 UhrRegensummenkarte 3 Std., 1.7.2020, 16 – 19 Uhr Regensummenkarte 3 Std., 1.7.2020 19 Uhr – 2.7.2020 2 UhrRegensummenkarte 24 Std., 1.7.2020 0730 Uhr – 2.7.2020 0730 UhrDie Panorama-Webcam in Sellenbüren gibt, dank der Ausrichtung nach SW, einen umfassenden Überblick über das Geschehen am Himmel vom Jura bis zu den Alpen. Der folgende Ausschnitt aus dem Tageszeitraffer zeigt exemplarisch die Entwicklung der drei aufgelisteten Gewitterzüge über dem Jura, den Voralpen und dem Mittelland. Beeindruckend vor allem, wie sich das Geschehen am Himmel nach dem Abzug der Voralpengewitter scheinbar beruhigt und der blaue Himmel wieder dominiert. Dann plötzlich, wie aus der Feder geschossen, steigen ganz rechts im Bild die ersten Hungertürmchen hoch. Die folgende Entwicklung ist dann nicht mehr aufzuhalten. Leider wird der Fluss des Zeitrafferfilms durch kurze UPC-bedingte Netzausfälle etwas gestört. Das Flackern am Filmende hat nichts mit Blitzen zu tun, sondern vielmehr mit dem mehrmaligen Versuch der Kamera, vom Tages- auf den Nachtmodus umzuschalten.

Zum Schluss der Radarfim des Tages, in welchem die Gewitterentwicklung für Interessierte im 5-Minuten Schritten aufgezeichnet ist. Die Tagesfilme sind für die User des kostengünstigen 3D-Radars von meteoradar für alle Tage der vergangenen 9 Monate verfügbar.

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