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Blogserie Gewitter - Wie wird ein Gewitter zur Superzelle?
Im ersten Teil dieser Blogserie haben wir uns mit der Ladungstrennung innerhalb von Gewitterwolken, dem Blitz als charakteristisches Merkmal, und den notwendigen Zutaten zur Entstehung eines Gewitters beschäftigt. In diesem Blog versuchen wir eine Typisierung der Gewitter und geben ein paar Beispiele dazu.
Einzelzellen
Nebst den bisher diskutierten Zutaten für die Gewitterentstehung spielt auch der Wind eine wichtige Rolle. Bereits die bodennahe Luft, welche in die Zirkulation einer Gewitterwolke einbezogen wird, weist eine charakteristische Bewegung auf. Die Gewitterwolke selber wiederum interagiert mit der sie umgebenden Strömung der mittleren und oberen Troposphäre und kann diese, wenn die Wolke genügend gross wird, sogar entscheidend verändern.
Der einfachste Fall ist die Wetterlage mit schwachem Wind in allen Höhenlagen. Der Aufwind und die Gewitterwolke wachsen dann senkrecht in die Höhe und werden durch den Niederschlag und die dabei entstehende Abkühlung rasch wieder absterben. Man spricht von einer Einzelzelle, wobei durchaus auch mehrere dieser Einzelzellen in respektvollem Abstand nebeneinander ihren eher kurzen Lebenszyklus von typischerweise 1-3 Stunden durchlaufen können. Ist der Feuchtegehalt der Luft sehr gross können innert kurzer Zeit und auf eng begrenzten Gebieten (die horizontale Ausdehnung einer Einzelzelle ist etwa 1-10 km) grosse Niederschlagssummen fallen, man spricht dann von einem „Flash Flood“ (Sturzflut) Ereignis. Lokale Überschwemmungen und kurzfristig auffrischender Wind sind typische Folgeerscheinungen. Diese Gewitter entstehen oft binnen weniger Minuten, und bis der Meteorologe sie auf Radar- und Satellitenbildern in ihrem Reifestadium erfasst und die Bevölkerung davor gewarnt hat, ist es oft schon zu spät.
Multizellen
Nimmt der Wind vor allem in den höheren Luftschichten zu werden Gewitterwolken „stromabwärts“ geneigt und mit der Zeit von der umgebenden Strömung „passiv“ verfrachtet. Sie bewegen sich im Verlauf ihres Lebenszyklus in Gebiete, wo noch unverbrauchte feuchte und instabile Luft lagert und können so neuen Nährboden finden und sich regenerieren. Gleichzeitig erfassen auch ihre Niederschläge und die induzierte Abkühlung am Boden ein grösseres Gebiet. Die Gewitterwolken können sich bei ihrer Fortbewegung gegenseitig beeinflussen, zusammenwachsen und sich zu einer über hunderte von Kilometern erstreckenden Linie verbinden.
Im Extremfall kann die durch Kondensationsprozesse freigesetzte latente Wärme das grossräumige Druckfeld derart verändern, dass zusammenhängende und im Gegenuhrzeigersinn zirkulierende Niederschlagssysteme entstehen, ähnlich den grossen „klassischen“ Tiefdruckgebieten. Diese Gewittersysteme sind mit Lebensdauern von 12 bis 36 Stunden ausgesprochen langlebig und können dabei grosse Gebiete erfassen. Abhängig vom Grad der Organisation nennt man diese aus mehreren interagierenden und sich ständig regenerierenden Einzelgewittern bestehenden Gebilde Multizellen-Gewitter (inhomogene Struktur, nicht allzu gross) oder Mesoskalige Konvektive Systeme (gross, linear, evtl. rotierend). Die Auswirkungen dieses Gewittertyps am Boden sind vielfältig, variieren von Fall zu Fall und umfassen das ganze denkbare Spektrum: Starkniederschlag, Hagel, Sturmböen, und selbst lokale Tornados sind möglich.
Superzellen
Nimmt der Wind mit der Höhe stark zu und ändert deutlich seine Richtung (Geschwindigkeits- und Richtungsscherung) so befinden wir uns im Regime der sogenannten Superzellen. Diese sind grundsätzlich Einzelzellen, sind im Unterschied zu den oben diskutierten „normalen“ Einzelzellen aber zusätzlich durch einen rotierenden Aufwindbereich charakterisiert. Die Rotationsbewegung ergibt sich durch „Kippen“ oder „Aufstellen“ der vertikal gescherten, in die Gewitterwolke eintretenden bodennahen Luft.
In der Wolke drin begünstigt die spezielle dreidimensionale Anordnung von Auf- und Abwindbereichen einerseits die mehrfache auf- und abwärts gerichtete Zirkulation von Niederschlagsteilchen. Diese haben so genügend Zeit, um zu stattlichen Hagelschlossen von mehreren Zentimetern heranzuwachsen. Superzellen bringen darum oft grossen Hagel, wobei sich dieser auf Grund der meist schnellen Fortbewegung der Zelle auf schmale Korridore, die Hagelzüge beschränken. Hagelwachstum ist jedoch genauso unvollständig verstanden, wie die Blitzentstehung, und die Erfahrung in der Schweiz zeigt, dass längst nicht jedes schwere Hagelgewitter eine Superzelle ist! Des weiteren bringen Superzellen in ihren Abwindbereichen manchmal schwere Sturmböen und ihre typischen bodennahen Strömungsmuster bieten gute Voraussetzungen zur Entstehung von Tornados. Doch auch hier gilt: Nicht jede Superzelle wirbelt einen Rüssel zum Boden, und gleichzeitig gibt es Tornados, deren Entstehung nicht von einer Superzelle abhängig sind. So zählen per Definition auch die hierzulande mittlerweile gut bekannten Wasserhosen zu den Tornados, sie werden lediglich den schwächeren Kategorien zugeordnet als ihre ebenso bekannten, zerstörerischen Verwandten der Great Plains der USA. Die oft filigranen Wasserhosen bilden sich jedoch nur in einer schwachwindigen Umgebung, die einen hohen Feuchtegehalt der Luft (damit im Wirbelwind Kondensation stattfindet und der „Schlauch“ sichtbar wird) und eine grosse Labilität aufweist (letztere ist typischerweise im Herbst über unseren relativ warmen Seen gegeben). In der Wolke über der Wasserhose muss es nicht einmal zwingend Blitzentladungen geben.
Doch zurück zu den Superzellen: Ein weiteres Merkmal dieses Gewittertyps ist seine ausgesprochene Langlebigkeit. Ihre räumliche Trennung der Auf- und Abwindbereiche und die schnelle Fortbewegung ermöglichen es diesen Gewitterzellen (obwohl es eigentlich keine „Zellen“ im ursprünglichen Sinn mit einmaligem Lebenszyklus Aufwind-Niederschlagsbildung-Abwind an einem Ort, sondern sich beständig durch neue Aufwindpulse regenerierende Gebilde sind, redet man dennoch von „Zellen“), über grosse Distanzen zu ziehen und 3-12, im Extremfall sogar bis 24 Stunden hinweg auf den Radarschirmen der Meteorologen zu verfolgen sind. Oft teilen sie sich dabei in mehrere Tochterzellen auf, die nicht nur passiv mit dem mittleren Wind in ihrer Umgebung verfrachtet werden, sondern deutlich links oder rechts davon abweichen. Man nennt diese Tochterzellen auf Englisch dann sinngemäss „right mover“ und „left mover“.
Eine etwas saloppe Erklärung für dieses Phänomen kann auf der Basis einer Analogie zum Fussball erfolgen, der mit „Effet“, sprich mit einer Drehung, Richtung Tor gestossen wird: Ähnlich wie beim sich drehenden Fussball bildet sich am Rand des rotierenden Aufwindes im Superzellen-Gewitter, welches von der umgebenden Luft umströmt wird, ein Druckminimum an seiner Flanke. Die neu einströmenden Aufwindpulse setzen bevorzugt auf dieser Seite des Gewitters an, was sich in einer Fortbewegungskomponente der gesamten Zelle in entsprechender Richtung äussert.
Der aufmerksame, das Wetter am Himmel beobachtende Leser wird bestimmt künftig den einen oder anderen Gewittertyp wiedererkennen. Die Typisierung erfolgt jedoch in aller Regel unter Zuhilfenahme von zeitlich hochaufgelösten Radarbildern und mittels Zuweisung zu bekannten Mustern der einzelnen Gewittertypen. Wir laden sie ein, mit den auf unserer Website oder App verfügbaren Radaranimationen, bei nächster Gelegenheit ihr Gewitter in der Flächendarstellung zu verfolgen. Vielleicht gelingt ihnen eine Zuordnung zu einem der Gewittertypen mit Hilfe der hier gezeigten typischen Beispiele.
Weiterführende Links
Tornado-Videos von Dean Gill, Meteorologe in der Regionalzentrale Genf, sind auf seiner Website zu sehen.
2016 gelang einem Team von US Wissenschaftlern und der Leitung von Leigh Orf erstmals eine eindrückliche Computer-Simulation einer Superzelle mit Tornado. Nicht nur die Simulation mit einer räumlichen Auflösung des Rechengitters von wenigen Metern sondern auch die Visualisierung der berechneten meteorologischen Felder benötigte eine enorm hohe Rechenleistung. Hier geht es zum Video
Teil III - Hagel
Immer wieder suchen verheerende Hagelstürme die Schweiz heim. Sie häckseln Pflanzen kurz und klein, hinterlassen Schäden an Gebäuden und Fahrzeugen und verursachen so erhebliche Kosten. Im nächsten Teil dieser Blogserie über Gewitter widmen wir uns spezifisch dem Thema Hagel.