Im Thema des Tages vom 6. September ging es um größere Gewitterkomplexe, auch mesoskalige konvektive Systeme (MCS) genannt. Eine spezielle Form ist die im Fachjargon als „Squall-Line“ bezeichnete Gewitterlinie.

Squall-Lines entstehen häufig auf der Vorderseite (d.h. östlich) eines Höhentiefs am Rande der Frontalzone. Dort ist (bedingt durch die hohe ) eine starke Windscherung vorhanden (Zunahme und Richtungsänderung des Winds mit der Höhe). Diese spielt bei der Erhaltung einer Squall-Line eine wesentliche Rolle, wie wir später noch sehen werden. Befindet sich das Tief über dem nahen Ostatlantik oder Westeuropa, so wird mit einer südlichen bis südwestlichen Strömung zudem feucht-warme Subtropikluft nach Mitteleuropa geführt.

Oft bildet sich in dieser Warmluft etwa 100 bis 200 km vor einer Kaltfront in Bodennähe ein rinnenförmiges Tief, in das die Luft von beiden Seiten im Bereich einer Konvergenzlinie zusammenströmt und zum Aufsteigen gezwungen wird. Dadurch entstehen zunächst isolierte Gewitter (Einzelzellen, Multizellen, in seltenen Fällen auch Superzellen). Diese wachsen allmählich zu einer Linie zusammen, die mehrere Hundert Kilometer lang sein kann – die Squall-Line ist geboren. Durch wiederholte Neubildung von Gewittern am Vorderrand kann die Squall-Line über mehrere Stunden andauern. Im fortgeschrittenen Stadium weist der Querschnitt einer Squall-Line eine starke Asymmetrie auf (Abbindung 1). Die Vorderseite ist geprägt von Gewittern mit Starkregen. Diese können eine zusammenhängende Linie bilden (Abbildung 2a) oder Lücken besitzen, bei denen man noch die Aneinanderreihung der einzelnen Gewitter erkennen kann (Abbildung 2b). Dahinter folgt als „Überbleibsel“ der alten Gewitter ein Bereich mit schwachen bis mäßigen und relativ gleichmäßigen Regen, der mit fortscheidender Dauer an Ausdehnung zunimmt.

Die Squall-Line hält sich durch eine ausgeprägte Eigendynamik am Leben: An ihrer Vorderseite steigt Warmluft im Aufwindbereich (Updraft) auf. Als Gegenbewegung sinkt Luft aus oberen Atmosphärenregionen im Abwindbereich (Downdraft) ab. Durch Verdunsten von Wassertropfen sowie durch Schmelzen und Sublimieren von Eispartikeln wird die Luft im Downdraft stark abgekühlt. Da kalte Luft schwerer ist als warme Luft, wird der Downdraft auf seinem Weg nach unten beschleunigt, bis die Luft am Boden horizontal ausströmt. Durch die zahlreichen Gewitter entlang der Squall-Line kann so ein massives Kaltluftreservoir entstehen, das als Kältepool bezeichnet wird (Abbildung 1).

Bei fehlender Windscherung würde der Kältepool in die Warmluft fließen und den Aufwindbereich von der Warmluft abschneiden. Die Gewitter würden sich also rasch wieder auflösen. Die Windscherung führt allerdings dazu, dass an der Vorderseite der Gewitterlinie der Wind in Bodennähe dem Ausfließen des Kältepools entgegenwirkt (siehe Windpfeile in Abbildung 1). So entsteht ein Gleichgewicht zwischen Kältepool und Windscherung, das gewährleistet, dass der Kältepool zunächst unterhalb der Gewitter verbleibt. Dort schiebt sich die kalte und schwere Luft des Kältepools unter die leichtere und energiereiche Warmluft, wodurch diese gehoben wird. Die kontinuierlich aufsteigende Warmluft kann so wiederholt neue Gewitter auslösen, während die abschwächenden „alten“ Gewitter langsam auf die Rückseite der Squall-Linie wandern und den gleichmäßigen Regen ausbilden. Mit fortschreitender Zeit wird der Kältepool immer mächtiger und dominiert schließlich gegenüber der Windscherung. Nun fließt der Kältepool zunehmend in den vorderseitigen Warmluftbereich und die Squall-Line befindet sich im Auflösestadium.

Studien haben aber gezeigt, dass die reine Wechselwirkung zwischen Kältepool und Windscherung die Langlebigkeit einer Squall-Line nicht vollständig erklären kann. Auch eine Scherung oberhalb des Kältepools bis etwa 5 Kilometer Höhe trägt zur Erhaltung der Squall-Line bei. Zudem spielt ein weiteres Windsystem eine wichtige Rolle: Da die aufsteigende leichtere Warmluft eine geringere Dichte als die schwerere Kaltluft des Kältepools besitzt, bildet sich am Boden ein kleines Hoch (H), auch Gewitterhoch genannt, und direkt oberhalb des Kältepools ein lokales Druckminimum (T). Um einen horizontalen Druckausgleich zu erzielen, strömt von hinten (Rückseite) mit zunehmender Geschwindigkeit Luft in Richtung des Tiefs. Dadurch entsteht oberhalb des Kältepools ein Starkwindband, der sogenannte „Rear Inflow Jet„. Er strömt also in Richtung des Updrafts und kann diesen aufrichten, was zum Erhalt der Squall-Line beiträgt.

Nach den zugegebenermaßen recht komplexen Erklärungen kommen wir zum Schluss zu den Auswirkungen einer Squall-Line. Neben Starkregen kann es vor allem im Anfangsstadium, wenn die Zellen noch nicht komplett zusammengewachsen sind, mitunter auch zu größerem Hagel kommen. Der ausfließende Kältepool macht sich durch einen plötzlich auffrischenden Wind bemerkbar, der häufig Sturmstärke oder sogar Orkanstärke erreichen kann. Gleichzeitig sinkt die Temperatur meist innerhalb weniger Minuten um 5 bis 10 Grad oder mehr (Abbildung 3), während der Luftdruck sprungartig um mehrere Hektopascal ansteigt (Gewitterhoch im Kältepool). Setzen die Sturmböen zeitgleich mit dem Starkregen der Gewitter ein, ist mit einer Intensivierung der Squall-Line zu rechnen. Frischt der Wind allerdings bereits einige Zeit vor den Gewittern auf, deutet dies darauf hin, dass der Kältepool bereits in die Warmluft eingeflossen ist. Die Gewitter entlang der Squall-Line sind bereits von der bodennahen Warmluft abgeschnitten, weshalb sie sich wahrscheinlich allmählich abschwächen werden, bis sie sich ganz auflösen. Es bleibt nur das großflächige Regengebiet übrig.

Dr. rer. nat Markus Übel (Meteorologe)
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 10.09.2023
Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

Auch in den letzten Bundesländern gehen die Schulferien nun zu Ende und es heißt für Millionen Schülerinnen und Schüler wieder pauken und Tests schreiben. Heute versetzen wir Sie, liebe Lesersinnen und Leser, mal wieder auf die Schulbank und testen Ihr Wetterwissen. Wer aufmerksam die Themen des Tages sowie die Pressemitteilungen gelesen hat, oder auch ab und an mal einen Blick ins  des DWD wirft, dürfte keine Probleme bekommen. Das Lösungswort erhalten sie durch die vorangestellten Buchstaben.

Frage 1:
Tehuano-Winde sorgen dafür, dass

S) das Algenwachstum vor der Südküste Mexikos angeregt wird
R) es in Simbabwe viel mehr regnet als im klimatischen Mittel
G) es in der Mongolei ungewöhnlich heiß wird

Frage 2:
Im Jahr 2024 sind die, von der FU-Berlin vergebenen Namen für Tiefdruckgebiete

e) männlich
o) weiblich
l) mal männlich und mal weiblich

Frage 3:
Das Temperaturmittel lag im Sommer 2023 bei
u) 15,9 Grad Celsius
g) 16,3 Grad Celsius
n) 18,6 Grad Celsius
Frage 4:
Im vergangenen Sommer fielen in Deutschland etwa

n) 270 Liter pro Quadratmeter
e) 240 Liter pro Quadratmeter
t) 350 Liter pro Quadratmeter

Frage 5:
In Griechenland fiel bei den vergangenen Unwettern örtlich so viel Regen (rund 700 Liter pro Quadratmeter) wie normalerweise
e) in Offenbach am Main im ganzen Jahr
m) in München im Januar
t) in Berlin im Frühjahr

Frage 6:
In einem Hurrikan der Kategorie 3 herrschen laut der Saffir-Simpson-Skala durchschnittliche Windgeschwindigkeiten über 1 Minute von
r) 209-251 km/h
n) 178-208 km/h
h) 154-177 km/h

Frage 7:
Eines der größten je gefundenen Hagelkörner war über
f) 30 cm groß
w) 3 kg schwer
s) 20 cm groß

Frage 8:
Die Namen Franklin, Idalia und Lee beschreiben
a) die nächsten Teilnehmer eines bekannten TV-Formats
b) die letzte Sturmtiefserie in Deutschland
c) Hurrikans der letzten Wochen im Atlantik

Frage 9:
Bezeichnung für ein Klimagebiet, in dem das vieljährige Mittel des Niederschlags höher ist als die Verdunstung.

h) humid
g) arid
f) trocken

Frage 10:
Der Name der Kraft, die ein Teilchen zum Beispiel bei einem Sturm, vom Zentrum wegzieht, nennt man

j) Druckgradientkraft
e) Zentrifugalkraft
l) Schwerkraft

Frage 11:
Geostationäre Satelliten befinden sich

d) in etwa 850 km Höhe über den Polen
o) in etwa 10500 km Höhe über Mitteleuropa
i) in etwa 35800 km über dem Äquator

Frage 12:
Die derzeit vorherrschende Wetterlage in Deutschland ist

n) Südost antizyklonal
m) West zyklonal
k) Hoch Britische Inseln

Der Verfasser hofft, dass Sie Spaß am Quiz hatten und Sie das Lösungswort erraten konnten. Es sollte mit dem aktuellen Wetter zu tun haben.

Dipl.-Met. Marcel Schmid
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 09.09.2023
Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

Bald ist wieder Wochenende und somit die Zeit für unzählige Fußballfans in die Stadien zu pilgern, um ihren Vereinen die Daumen zu drücken. Können Sie sich noch an Ihren jüngsten Besuch eines Fußballstadions erinnern? Oder haben Sie noch die Bilder im Kopf, wenn bei einem im Fernsehen live übertragenen Spiel ein Blick auf das gesamte Stadion von oben zu erhaschen war? Was gibt es doch für beeindruckende Bauwerke, wo sich das Stadion immer mehr nach Außen neigt, je höher man sitzt und letztendlich in eine riesige Öffnung mündet, die nicht selten von oben gesehen einem Auge gleicht. Der Grund für diese architektonische Ausrichtung ist u.a. der, dass die Zuschauer einerseits die oberen Plätze erreichen wollen (was bei senkrechter Ausrichtung nicht jedem sportlich visierten Fußballfan glücken dürfte), andererseits aber auch gut auf den Fußballplatz einsehen möchten und natürlich verkleinert sich auch der Fußabdruck des Stadions. Doch wieso sprechen wir im heute verfassten Thema des Tages über Fußball und nicht über das Wetter?

Auch beim Wetter gibt es ein Phänomen, dass bei entsprechender Ausprägung im Zentrum sehr einem Fußball-/Baseball– oder Footballstadion ähnelt und dieses ist im Bereich der Tropen zu finden: ein tropischer Zyklon.

Wie bereits in den Themen des Tages vom  und dem  beschrieben gibt es eine satellitengestützte Mustererkennung von tropischen Stürmen, um deren Intensität zu detektieren. Dabei fällt diese Bestimmung nicht selten komplex aus und liefert Nährboden für kritische Diskussionen. Sobald sich jedoch das Auge eines tropischen Sturms gebildet hat vereinfacht sich die Intensitätsabschätzung wieder, kann man doch mindestens von Böen in Orkanstärke ausgehen. Zur Erinnerung, je intensiver der Temperaturkontrast „Auge – Oberflächentemperatur der Gewitterwolken“ ausgeprägt ist, umso kräftiger ist die Dynamik eines Tropensturm bzw. dann Hurrikans/Taifuns/Zyklons etc.

Gerade die intensivste Phase eines Tropensturms mit einem klar definierten Auge ist diejenige, wo der Stadion-Effekt zur Geltung kommt. Wie so oft im Bereich der Tropenmeteorologie ist dessen Entstehung sehr komplex und wird hier stark vereinfacht wiedergegeben.

Zunächst muss man wissen, dass das Auge eines tropischen Sturms aus einer sogenannten „Augenwand“ besteht, in der die höchsten Windgeschwindigkeiten gemessen werden und aus einem nicht selten nahezu windstillen Inneren des Auges.

Im Auge sinkt die Luftmasse ab, erwärmt sich und trocknet ab. Uns interessiert aber vor allem das Geschehen innerhalb der Augenwand. Im unteren Bereich der Augenwand bremst die Reibung den Wind noch merklich ab, sodass z.B. die höchsten Windgeschwindigkeiten innerhalb der Grenzschicht (der Schicht direkt über dem Erdboden bzw. der Meeresoberfläche) erst in durchschnittlich 500 m über Grund erreicht werden. Oberhalb der bremsenden Grenzschicht lässt die Reibung jedoch zügig nach, sodass dort die Windgeschwindigkeit nochmals deutlich zunimmt. Zudem muss man wissen, dass ein gedachtes Luftteilchen während der Umrundung des Auges in der Augenwand unterschiedliche Kräfte spürt – die Kraft, die in das Zentrum des Sturmes zeigt (Druckgradientkraft) und Kräfte, die das Teilchen vom Zentrum wegziehen (z.B. Zentrifugalkraft). Letztere überwiegen bei Windzunahme, sodass die Teilchen mit der Höhe versuchen ein Gleichgewicht zu erreichen, indem sie in immer größeren Bahnen um das Auge zirkulieren. So entsteht ein nach oben sich aufweitender Trichter, der von oben gesehen in Form eines sich vergrößernden Auges zu erkennen ist.
Der Stadion-Effekt ist bei kräftigen Zyklonen besonders gut ausgeprägt und kann vor allem bei tiefstehender Sonne mit entsprechendem Schattenwurf mit Hilfe eines Satelliten bewundert werden. Natürlich funktioniert es auch, wenn der Wettersatellit zentrumsnah (nicht direkt) über das Auge fliegt. Doch wie sieht so ein Stadion-Effekt nun aus?

Beginnen wir mit dem erst kürzlich tobenden Taifun SAOLA, der als sogenannter „Supertaifun“ (Kategorie 4 Sturm der fünfteiligen Saffir-Simpson Skala) die Straße von Luzon westwärts durchquert und das Südchinesische Meer erreicht hat, um sich auf seinem Weg in Richtung Hong Kong allmählich abzuschwächen . Während der intensivsten Phase entstanden die beiden folgenden Bilder.

Der Wettersatellit stand äußerst günstig, um den Stadion-Effekt dieses Supertaifuns abzulichten. Im obersten Bild sieht man ein farblich verfälschtes Wasserdampfbild, wobei grüne Farben sehr feuchte Luftmassen anzeigen (Schauer und Gewitter). Im Auge, wo die Luft absinkt und abtrocknet wird die sehr trockene Luftmasse rötlich dargestellt. Dabei erkennt man, dass die Farben nicht schlagartig von sehr feucht zu sehr trocken wechseln, sondern dass es einen allmählichen Übergang gibt. Der Wasserdampfkanal 6.2, der hier zu sehen ist und für die Analyse im oberen Bereich der Troposphäre verwendet wird, misst hier also den allmählichen Abfall innerhalb der Augenwand, der dadurch entsteht, dass diese nach oben geneigt ist und nicht senkrecht abfällt.
Ähnliches sieht man im zweiten Bild (im Infrarotkanal), wo die vom Satelliten ermittelte Temperatur gezeigt wird. Diese liegt dank hochreichender Konvektion ums Auge herum bei unter -60 Grad und steigt im Auge sprunghaft auf über +11 Grad an (real mit feinerer Auflösung wurden sogar bis knapp +20 Grad gemessen). Auch hier wird die geneigte Augenwand visuell eindrücklich gezeigt.

Doch sind wir mal ehrlich – geben wir uns mit diesen Bildern wirklich zufrieden? Nein. Wir zoomen mal ordentlich in das Auge von SAOLA hinein.

Alleine die Dynamik und Struktur dieses Auges sind beeindruckend (besonders mit dem Wissen, dass der Sturm über dem offenen Meer tobte), doch beschränken wir uns darauf die Augenwand zu betrachten, die z.B. im südöstlichen Quadranten eine Neigung nach außen hin aufweist. Man kann sich hier bildlich ein Stadion vorstellen. In der Augenwand die Zuschauer und auf dem Platz im Auge die wild tobenden kleinräumigen Wirbel, die einen packenden Tanz aufführen.

Wie bitte, das ist Ihnen noch immer nicht nah genug? Gut, um Ihren Wissensdurst zu befriedigen begleiten wir die sogenannten „Hurricane Hunter“ (Meteorologen, die mit einem Flugzeug in diese Stürme fliegen und Messungen vornehmen) in den Hurrikan Epsilon aus dem Jahr 2020, der Ende Oktober im Nordatlantik tobte.

Viel eindrücklicher kann man diesen Effekt kaum mehr darstellen – oder doch? Reizen wir alles aus und beenden dieses Thema des Tages mit einer kleinen Fotocollage. Die Bilder entstanden im Jahr 2015 und sie wurden durch den ehemaligen nordamerikanischen Astronauten Terry Virts von der ISS abgelichtet. Die Bilder zeigen den Supertaifun MAYSAK, der Ende März/Anfang April 2014 im nordwestlichen Pazifik wütete.

Und wieder zeigt sich, welch Schönheit die zerstörerische Kraft eines tropischen Zyklons hat, wenn man diesen aus sicherer Entfernung betrachten kann, doch darf man nie vergessen, dass eben diese Schönheit beim Landgang Leid und Zerstörung bringt. Mit dem aktuell aktiven und bald sehr intensiven Hurrikan LEE im tropischen Atlantik wird es sicher auch in den kommenden Tagen die Möglichkeit geben den Stadion-Effekt per Satellit oder mit Bildern der Hurrikanjäger aus dem Flugzeug zu bestaunen.

Dipl.-Met. Helge Tuschy
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 07.09.2023
Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

Die aktuelle Boden-Analysekarte zeigt einen ehemaligen Hurrikan mit dem Namen FRANKLIN vor den Toren Westeuropas. Dieser Wirbelsturm entwickelte sich bereits am 20. August über dem 30 Grad warmen Wasser der Karibik. Grund dafür waren über weite Teile sehr hohe Meeresoberflächentemperaturen, die zu einer Weiterentwicklung eines Gewittersystems zu einem tropischen Wirbelsturm sorgten. Die relativ starke vertikale Windscherung verhinderte allerdings eine markante Intensivierung des Sturms, sodass dieser sich lediglich zu einem Hurrikan der Kategorie 1 verstärken konnte, bevor er in der Dominikanischen Republik an Land ging.

Nach dem Landgang verlagerte sich der Sturm weiter nach Norden. Dabei konnte er sich trotz der etwas geringeren Meeresoberflächentemperaturen nach einer kurzen Abschwächung deutlich intensivieren. Ursache dafür waren wesentlich geringere Scherungswerte in dieser Region. Eine hohe Windscherung ist nämlich für die Intensivierung von tropischen Stürmen hinderlich, da dann vor allem bei einer geringen Feuchte in der mittleren Troposphäre, trockene Luftmassen in das Zentrum des Sturms eingemischt werden können. Diese Luftmassen schwächen die latenten Wärmeflüsse vom Ozean ab, sodass die Energiezufuhr teilweise gekappt wird und der Sturm sich nicht mehr weiterentwickeln kann.

FRANKLIN verstärkte sich daraufhin westlich der Bermuda-Inseln zu einem sehr starken Hurrikan der Kategorie 4 mit beachtlichen Windgeschwindigkeiten von über 200 km/h. Auf seinem weiteren Pfad nach Norden gelangte der Sturm in die Westwindzone der mittleren Breiten. In dieser Zone herrschen für tropische Wirbelstürme ungünstige Bedingungen. So gelangte FRANKLIN in eine Region erhöhter Baroklinität. Diese Zonen sind charakterisiert durch eine starke vertikale Windscherung und große meridionale Temperaturunterschiede. Zudem liegen die Meeresoberflächentemperaturen in diesen Breiten bei unter 26 Grad. Das hatte zur Folge, dass sich der Wirbelsturm deutlich abschwächte. Gleichzeitig wurde er von einem Höhentrog über dem Atlantik, welcher sich südlich von Grönland befand, eingefangen und dabei in ein außertropisches Tiefdruckgebiet umgewandelt.

Bei dieser Umwandlung verlor der Sturm seinen warmen Kern, da die Wassertemperaturen des Atlantiks nicht mehr ausreichten, um ihn vom Ozean mit Energie zu speisen. Trotzdem verstärkte er sich wieder nach der Abschwächung und löste sich nicht vollständig auf. Grund dafür war die Interaktion mit dem Höhentrog in einer Zone mit erhöhten meridionalen Temperaturunterschieden. Dieser Prozess der extratropischen Umwandlung von Wirbelstürmen wird im Atlantik im Spätsommer häufiger beobachtet.

Nach der Umwandlung besitzen diese Stürme dann teilweise immer noch tropische Eigenschaften, bilden aber nach und nach Frontensysteme (Warm- und Kaltfront) aus und entwickeln einen kalten Kern. Diese hybriden Zyklonen können dann entweder direkt oder aber auch indirekt Einfluss auf unser Wettergeschehen nehmen. Sie können in manchen Fällen die Strömungskonfiguration (Lage von Höhentrögen und Höhenrücken) vor allem stromabwärts verändern und somit maßgeblich Einfluss auf unser Wetter in Mitteleuropa nehmen. Der ehemalige Hurrikan FRANKLIN, der heute auf der Bodenanalyse auftaucht, stützt die in dieser Woche vorherrschende Omegalage mit einem stationären Hochdruckgebiet direkt über Mitteleuropa. Dadurch dürfen wir uns in dieser Woche über viel Sonnenschein und sommerliche Temperaturen freuen.

Das außertropische Tief FRANKLIN wird sich bis zum Wochenende nach Süden verlagern und sich in der kommenden Woche voraussichtlich vor Portugal auflösen. Es geht aber auch anders! Am 16.10.2017 erreichte Ex-Hurrikan ORPHELIA Irland. Dabei wurden extreme Orkanböen bis zu 150 km/h registriert. ORPGELIA verlor ihre klassische Struktur als Hurrikan kurz vor Irland, hatte allerdings zumindest noch teilweise tropische Eigenschaften in sich, als sie als außertropisches Orkantief das Festland von Irland erreichte. Dies zeigt, dass ehemalige Hurrikans durchaus Einfluss auf unser Wettergeschehen haben können, wenn auch nicht immer in Form von Sturm/Orkan und starken Regenfällen.

M.Sc. Meteorologe Nico Bauer

Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 04.09.2023
Copyright (c) Deutscher Wetterdienst