Satellitenmeteorologie (Teil 1) – Die 12 Augen der Wettersatelliten

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Wettersatelliten sind in der heutigen modernen Meteorologie nicht mehr wegzudenken. Sie liefern zum einen wichtige Beobachtungsdaten für Wettervorhersagemodelle, die für eine präzise numerische Wettervorhersage unerlässlich sind. Mit ihrem Blick aus dem Weltall auf unsere Erde leisten sie außerdem unschätzbare Dienste bei der Wetteranalyse und der Kürzestfristvorhersage. Unter letzterem versteht man die Vorhersage des Wetters der kommenden Stunden, für die man nicht zwangsläufig Vorhersagemodelle benötigt. Die Satelliten machen alle 15 Minuten Aufnahmen von unserer Erde, die uns Meteorologen einen schnellen Überblick geben, wo sich beispielsweise aktuell in der Atmosphäre Wolken befinden. Auf einem Blick können wir so Tiefdruckgebiete identifizieren, um die sich die Wolkenbänder schlängeln. Mittels zeitlicher Abfolge vergangener Bilder können wir sogar abschätzen, in welche Richtung sich die Wolken und die dazugehörigen Tiefs bewegen werden, ob sich die Wolken auflösen oder verdichten, wo in Kürze Gewitter entstehen könnten und vieles mehr.

Im heutigen Tagesthema zeigen wir, was Wettersatelliten alles sehen bzw. messen können. (Auf die der Satellitenmeteorologie zugrunde liegenden Strahlungstransporttheorie soll an dieser Stelle bewusst verzichtet werden, damit auch Leserinnen und Leser ohne Physikstudium oder Physikleistungskurs nicht den Durchblick verlieren.) Das wichtigste Messgerät der der Wettersatelliten ist das sogenannte Radiometer, das die von der Erde zurückgesandte Strahlung misst. Ein Radiometer ist eine Art Multifunktions-Kamera, die weit mehr aufnehmen kann als unser menschliches Auge, nämlich die von der Erde abgegebene Strahlung im solaren (sichtbaren) und infraroten (thermischen) Spektralbereich.

Stellen Sie sich vor, Sie wären ein Astronaut und blicken von der ISS auf die Erde. Was Sie sehen würden, ist ein Abbild unseres blauen Planeten im für das menschliche Auge sichtbaren (solaren) Spektralbereich (Wellenlängen zwischen 380 und 780 Nanometer). Unser Auge erkennt also eine ganze Bandbreite an Wellenlängen, die es unterschiedlichen Farben zuordnet. Die Radiometer der Wettersatelliten funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip, nur bestehen sie nicht nur aus einem „Auge“, sondern aus gleich zwölf Augen, den sogenannten Kanälen. Jeder der zwölf Kanäle empfängt einen bestimmten von der Erde emittierten Wellenlängenbereich. Die Kanäle messen dabei die Intensität der empfangenen Strahlung, ohne diese Farben zuzuordnen. So entstehen Schwarz-Weiß-Bilder, bei denen weiß eine hohe Strahlungsintensität und schwarz eine geringe Strahlungsintensität bedeutet. Drei der zwölf Kanäle empfangen – ähnlich zum menschlichen Auge – Strahlung im solaren (kurzwelligen) Bereich, aber mit einer jeweils kleineren Bandbreite als unser Auge. Weitere acht Kanäle empfangen Strahlung im thermischen (langwelligen) Strahlungsbereich und damit Informationen, die unser Auge nicht erfassen kann. Jeder dieser elf Kanäle sieht für sich betrachtet zwar weniger als unser Auge, in der Kombination aller Kanäle erfasst ein Radiometer aber weitaus mehr Informationen von der Erde als der sehende Mensch. Das zwölfte Auge des Radiometers, der HRV-Kanal (High Resolution Visible), ist das Adlerauge unter den Kanälen, es sieht besonders scharf, also mit einer höheren Auflösung im gesamten sichtbaren Spektralbereich.

 

Jeder der einzelnen Kanäle liefert den Meteorologen ganz individuelle Informationen. Die sichtbaren Kanäle geben uns beispielsweise Auskunft über die räumliche Verteilung und Dicke der Wolken, sowie dort, wo keine Wolken vorhanden sind, auch über die Beschaffenheit der Erdoberfläche (Abbildung 1, HRV-Kanal). Die Kanäle im thermischen Strahlungsbereich sind hingegen sensitiv für bestimmte Strahlungstemperaturen. Da die Temperatur in der Atmosphäre gewöhnlich mit der Höhe abnimmt, kann mithilfe der erfassten Strahlungstemperaturen an den Oberkanten von Wolken auf die Wolkenhöhe geschlossen werden. Somit kann unterschieden werden, ob es sich um flache tiefe Wolken, um hohe Schleierwolken oder um mächtige hochreichende Wolken handelt (Abbildung 2, IR8.7-Kanal). Einige der infraroten Kanäle messen zudem in Absorptionsbereichen atmosphärischer Gase wie Ozon, Kohlenstoffdioxid (CO2) oder Wasserdampf. So kann man die Ozonkonzentration in der Atmosphäre bestimmen oder erhält Auskunft darüber, in welchen Bereichen der Atmosphäre sich viel oder wenig Wasserdampf befindet. Zudem kann man noch eine Fülle weiterer Informationen aus den einzelnen Kanälen selbst oder aus einer Kombination verschiedener Kanäle gewinnen, was allerdings den Rahmen dieses Themas sprengen würde.

Im nächsten Teil dieser Reihe erfahren Sie, wie man mit einer geschickten Technik farbige Bilder erzeugen kann, die den Meteorologen weitere Möglichkeiten die Wetteranalyse bieten.

Dr. rer. nat. Markus Übel (Meteorologe)
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 07.05.2024
Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

Wolkenklassifikation

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Wolken zeigen sich in verschiedensten Gestalten: Mal als filigrane Schleier, mal als mächtige Ambosse oder bedrohliche Walzen. Eine Wolke ist eine vergleichsweise dichte Ansammlung winziger Wassertröpfchen oder Eiskristalle in der Luft. Wasser kondensiert dabei an Staubpartikeln, die als Kondensationskeime dienen, bei einer Luftfeuchtigkeit von 100 %. Die unglaubliche Vielfalt ihrer Erscheinungsformen machte es zunächst nahezu unmöglich, eine systematische Klassifikation von Wolken zu erstellen. Doch zu Beginn des 19. Jahrhunderts brachte der englische Pharmazeut und Amateurmeteorologe Luke Howard mit seinem Klassifikationsschema Ordnung in dieses Durcheinander. Er ordnete die Wolken ähnlich wie in der Biologie in Familien, Gattungen, Arten und Unterarten ein.

Seine Klassifizierung ist auch heute noch als internationales Standardwerk anerkannt und soll im Folgenden kurz erläutert werden. Die Wolkenfamilien werden zunächst nach ihrer Höhe über dem Boden (Stockwerk) klassifiziert: Es gibt hohe Wolken, die sich in mittleren Breiten in einer Höhe von 7 bis 13 km befinden, mittelhohe Wolken in einer Höhe von 2 bis 7 km und tiefe Wolken in einer Höhe von 0 bis 2 km. Zusätzlich gibt es Wolken mit großer vertikaler Ausdehnung, die sich über mehrere Stockwerke erstrecken. Pro Familie gibt es in der Regel zwei Gattungen: haufenförmige Wolken (Cumulus) und schichtförmige Wolken (Stratus). In höheren Stockwerken gibt es eine weitere Gattung, die aus reinen Eiskristallen bestehende Schleierwolken (Cirrus). In den unteren Schichten gibt es auch Mischformen zwischen Stratus und Cumulus (Stratocumulus). Insgesamt ergeben sich 10 Gattungen. Der Name einer Wolke setzt sich aus dem Namen des Stockwerks und der Gattung zusammen. Für hohe Wolken wird der Präfix „Cirro-„, für mittelhohe Wolken „Alto-“ und für vertikal mächtige Wolken „Nimbo-“ verwendet. Bei tiefen Wolken wird der Präfix weggelassen.

 

Die Arten beschreiben dann die Gestalt der Wolken, wie zum Beispiel, ob sie linsenförmig (lenticularis) oder schichtartig (stratiformis) sind. In den Unterarten werden weitere Eigenschaften wie Lichtdurchlässigkeit und Anordnung beschrieben. Als Beispiel einer Klassifikation sei die Wolke „Altocumulus stratiformis perlucidus“ genannt. Dabei handelt es sich um eine mittelhohe, flache Haufenwolke, die sich über eine große Fläche erstreckt und kleine Lücken zwischen den Wolkenteilen aufweist, durch die man den Himmel sieht. Umgangssprachlich sind diese als „Schäfchenwolken“ bekannt.

Diplom-Meteorologe Christian Herold
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 06.05.2024
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Warum der „Wonnemonat Mai“ nur ein ganz großes Missverständnis ist

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In dieser Woche starten wir in den Mai, den fünften Monat im gregorianischen Kalender. Er soll nach der römischen Göttin Maia benannt sein, die am ersten Tag dieses Monats dem Priester Volcanalis ein Opfer gebracht haben soll. Nach anderen Quellen leitet sich der Name von Iuppiter Maius ab, dem Wachstum bringenden Jupiter, der obersten Gottheit der römischen Religion.

Landläufig wird der Mai gerne als „Wonnemonat“ bezeichnet. In der heutigen Zeit wird „Wonne“ in diesem Kontext häufig mit sommerlicher Wärme und Sonnenschein assoziiert. Das Bild von einem Mai, der stets sonnig und „mollig warm“ zu sein hat, wird auch allzu gerne von den Medien gezeichnet. Doch dieser übermäßigen Erwartungshaltung wird der Mai selten gerecht. Doch warum ist das so?

Wir wollen uns der Frage zunächst aus sprachhistorischer Sicht nähern. Der Begriff „Wonnemonat“ geht ganz ursprünglich auf das althochdeutsche Wort „wunnimanod“ zurück, was mit „Weidemonat“ übersetzt werden kann. Der Ausdruck wies darauf hin, dass man in diesem Monat das Vieh erstmals nach einem langen Winter wieder auf die Weide lassen konnte – übrigens bei Wind und Wetter! Mit „Wonne“ im heutigen Verständnis hat die Bezeichnung also nichts zu tun. Schon früh wurde das Wort in Richtung des heutigen „Wonnemonats“ umgedeutet. Mit „Wonne“ im ursprünglichen Sinne beschreibt man ein besonders starkes Gefühl von Freude und Glück. Eine spezielle Form davon sind die sogenannten Frühlingsgefühle, die in uns aufkommen, wenn das intensiver werdende Sonnenlicht auf unsere Haut trifft und die Ausschüttung des „Glückshormons“ Endorphin in Gang kommen lässt. Damit wäre der Bogen vom Weide- zum sonnig-warmen Wonnemonat geschlagen.

Dass ganz alleine der Mai als Wonnemonat diese Frühlingsgefühle erwecken soll, damit tut man dem Monat dennoch Unrecht – und damit kommen wir zu den astronomischen und meteorologischen Aspekten. Die Sonne gewinnt im Mai weiter und deutlich spürbar an Kraft, immerhin nähern wir uns schon dem astronomischen Sonnenhöchststand zur Sommersonnenwende am 20. Juni. So erreicht die Sonnenenergie Werte wie im Juli und August. Dennoch ist es lange nicht warm wie im Hochsommer, denn der Temperaturverlauf hinkt dem Verlauf des Sonnenstandes ein bis zwei Monate hinterher. Das liegt daran, dass Land-, insbesondere aber Wassermassen zunächst viel von der Energie „schlucken“, um sich zu erwärmen. Somit können zum einen über dem Kontinent lagernde Kaltluftreservoire bei richtiger Strömung bis zu uns angezapft werden, zum anderen dämpft der kalte Seewind die Erwärmung über Land noch deutlich. Erst wenn sich alles aufgeheizt hat, kommen die höchsten Temperaturen des Jahres. Die Mitteltemperatur auf Basis des Referenzzeitraumes 1991-2020 liegt am 1. Mai bei etwa 11,5 °C, was dem Wert von Anfang Oktober entspricht. Bis zum Monatsende steigt sie aber deutlich auf gut 15 °C an, was dann schon vergleichbar mit den Verhältnissen Anfang September ist.

Auch ein Blick in die Historie zeigt, dass der Mai weniger ein „Wonnemonat“ als ein weiterer „Übergangsmonat“ ist, der von Spätwinter bis Frühsommer alles bieten kann. Die beiden kältesten Mai-Monate seit Beginn regelmäßiger Wetteraufzeichnungen 1902 und 1941 wiesen eine Mitteltemperatur von 8,8 °C und 9,2 °C auf. Frost und Schnee waren vor allem in der ersten Monatshälfte an der Tageordnung, „Sommertage“ mit Temperaturen über 25 °C gab es bis Monatsende dagegen nicht. Die wärmsten Mai-Monate 1898 und 2018 dagegen schafften es auf eine Mitteltemperatur von 16 °C. Sommertage über 25 °C gab es fast überall reichlich und sogar erste Hitzetage mit Temperaturen über 30 °C wurden registriert.

Sie sehen, dass die Erwartungen, die man heute häufig an den sogenannten „Wonnemonat“ Mai stellt, auf linguistischen Missverständnissen beruhen und meteorologisch selten erfüllbar sind. Es wird spannend sein, zu beobachten, welchen Weg der diesjährige Mai einschlagen wird.

Dipl.-Met. Adrian Leyser
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 29.04.2024
Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

Historisch niedrige Eisausdehnung auf den Großen Seen

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Seit 1973 wird die Eisausdehnung auf den Großen Seen an der Grenze zwischen Kanada und den USA per Satellit gemessen. Durchschnittlich frieren 53 Prozent der Fläche der Großen Seen im Winter zu. Das Maximum der Eisausdehnung wird üblicherweise Ende Februar bis Anfang März erreicht. Mitte Februar lag die Eisausdehnung auf allen fünf Seen allerdings bei gerade mal 2,7 Prozent und abgesehen von einem kurzen Peak zum Ende des Monats stieg die durchschnittliche Ausdehnung auch nicht mehr nachhaltig an (siehe Abb. 1). Auf dem Eriesee gab es zu diesem Zeitpunkt sogar so gut wie gar kein Eis. Eine solch geringe Ausdehnung wurde seit Beginn der Satellitenmessungen noch nie registriert.

 

Den Grundstein für die Bildung von Eis auf den Großen Seen legen die Wetterlagen zu Beginn eines jeden Winters im Dezember. Die ersten Vorstöße arktischer Luftmassen nach Süden sorgen für eine nachhaltige Abkühlung des Wassers. Der Eisbildungsprozess beginnt in geschützten Buchten und entlang der Küstenlinien und setzt sich dann bei entsprechend kalter Witterung über den Winter fort. Bleiben die Kaltluftvorstöße in den frühen Wintermonaten aus, wird die Zeit knapp, bis zum Ende der Saison eine signifikant große Eisausdehnung zu erreichen. Bereits in den vergangenen Jahren wurden immer häufiger Dezember mit viel zu hohen Temperaturen beobachtet. Dieses Jahr lagen die Temperaturen im gesamten Winter signifikant über dem Durchschnitt. In der Abbildung zeigt sich eindrücklich, dass sich bis in den Januar hinein kaum Eis auf den Großen Seen gebildet hatte. Erst Mitte Januar stieß arktische Kaltluft bis in die Mitte der Vereinigten Staaten vor. Als nachhaltig konnte dieser Wintereinbruch jedoch nicht bezeichnet werden, was sich direkt in der zurückgehenden Eisausdehnung zeigte.

Insgesamt ist in den vergangenen 50 Jahren die Eisausdehnung auf den Großen Seen pro Dekade um etwa 5 Prozent zurückgegangen, im gesamten Zeitraum also um etwa 25 Prozent. Zudem ist die Periode mit Eis auf den Gewässern im Mittel fast einen Monat kürzer als noch in den 70er Jahren. Im zurückliegenden Winter 2023/2024 stand das Wetterphänomen El Niño im Verdacht, entfernt Einfluss auf die Eisausdehnung auf den Großen Seen zu haben. El Niño ist zwar ein Phänomen, das sich im äquatorialen Pazifik abspielt, die Fernwirkung ist jedoch beachtlich. Letztlich wird vermutet, dass nicht allein der El Niño die geringe Eisausdehnung verursacht hat. Auch Veränderungen anderer globaler Meeresströmungen wirken sich auf die Großwetterlagen über Nordamerika aus, welche wiederum die Klimatologie der Großen Seen beeinflussen. Im Grunde zeigen sich die steigenden Temperaturen in Verbindung mit der bis in den Herbst hinein andauernden Speicherung der sommerlichen Wärme in den Seen verantwortlich. In einem Artikel des Umweltforschungslabors der Großen Seen der NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) wird der Klimawandel zwar nicht explizit erwähnt, dennoch wird darauf hingewiesen, dass der letzte starke El Niño die extrem geringe Eisausdehnung voraussichtlich „nur“ verschlimmert hat. Sowohl die ohnehin über die vergangenen Jahrzehnte gestiegenen Temperaturen – also häufiger werdenden milden Winter – als auch kürzere Perioden mit nach Süden vorstoßenden arktischen Luftmassen sind hauptverantwortlich für die geringe Eisausdehnung. Ähnlich wie in Europa ist in großen Teilen der kontinentalen USA in den Wintermonaten ein Erwärmungstrend zu beobachten. Rund um die Großen Seen (Bundesstaaten Iowa, Michigan, Minnesota, North Dakota, South Dakota and Wisconsin) ist der Trend jedoch am dramatischsten.

Dipl.-Met. Julia Tuschy
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 14.04.2024
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Die Frau der Ringe

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Der Titel „Die Frau der Ringe“ sollte nicht die Aufmerksamkeit der Leser und Leserinnen auf eine Fortsetzung des Romans „Der Herr der Ringe“ von J. R. R. Tolkien hinführen, sondern „Die Frau der Ringe“ ist ein Spitzname, den die Einheimischen der Mittelmeerinsel Sizilien einem Berg gegeben haben. Dieser berühmte Berg ist der Vulkan Ätna, welcher der größte und aktivste Vulkan Europas ist.

Die Einheimischen geben dem Vulkan üblicherweise den Namen „Idda“ oder „Mamma Etna“, weil seine Hänge landwirtschaftlich betrieben werden und der Lavaboden sehr fruchtbar ist. Da der Ertrag oft sehr gut ist, ist für die Bauern der Ätna wie eine „liebende Mutter“. Aber ab und zu wird „Mamma Etna“ zornig und spuckt Feuer und Lava sowie Asche, die dann Probleme und manchmal auch Zerstörung bringen.

Der Ätna ist immer für eine Überraschung gut: In den letzten Tagen konnte man am Ätna ein weltweit einzigartiges Phänomen bewundern. Aus einem der fünf Hauptkrater sind etliche weiße Rauchringe aufgestiegen, die dann für mehrere Minuten am Himmel zu sehen waren. Es ist nicht zum ersten Mal, dass der Ätna Rauchringe produziert. In den Jahren 2000 bis 2003 konnte man schon dieses Naturwunder beobachten. Diesmal war jedoch die Frequenz erstaunlich hoch mit mehreren Ringen hintereinander und nicht wie üblich ein oder zwei am Tag.

Was ist ein Rauchring und wie entsteht er?
Ein Rauchring, im Fachjargon „Volcanic Vortex Ring„, ist ein Wirbel in der Form eines Ringes mit Strömungsrichtung um den Ringkörper herum. Die innere Geschwindigkeit ist stets höher und somit entsteht ein in sich geschlossenes Strömungs- und damit Energiesystem. Die Ringe, zum Beispiel am Ätna, können einen Durchmesser von bis zu 200 m haben.

Am Südostkrater, einem der Hauptkrater des Ätnas, hat sich ein „Pit“-Krater gebildet: ein Krater, der wie ein Brunnen aussieht, in dem heiße Gase austreten. Nun sollte man es sich am Ätna so vorstellen: Der Vulkanschlot ist mit Magma gefüllt. Das Magma kommt aus großer Tiefe, aus dem Erdmantel. Das Magma trifft auf dem Weg zur Erdoberfläche auf mehrere Becken. Eines davon liegt auf 2900 m Höhe, also knapp unter dem Krater, der 3352 m hoch ist. Das Magma ist aber zähflüssig und die Gase können nicht so leicht ausweichen, daher bilden sich größere Gasblasen, die dann plötzlich zerplatzen und einen hohen Druck erzeugen. Die erzeugte Druckwelle muss nun durch die relativ enge Krateröffnung austreten. Durch die Reibung entlang der zylinderförmigen Wände wird die Druckwelle eingebremst, während in der Mitte die Gase schneller austreten können. Somit entsteht ein kreisförmiger Wirbel, der dann nach außen geschleudert wird. Ein Rauchring ist somit entstanden.

In den sozialen Medien sind tolle Bilder der Rauchringe zu finden. Auch in Artikeln und sogar im Fernsehen wurde das Phänomen gezeigt und beschrieben. Der Fotograf und Bergführer Giò Giusa hat dankeswerterweise einige Bilder zu Verfügung gestellt. Diese wurden Anfang April geschossen. Aktuell hat die Anzahl der Ringe zwar abgenommen, aber es können jeder Zeit wieder mehr werden.

Wer also Urlaub auf Sizilien verbringen will, kann auch dieses Naturschauspiel erleben, auch wenn in den nächsten Tagen das Wetter nicht mehr so mitspielt. Das Wetter zeigt sich nämlich wechselhafter und der Gipfel des Vulkans liegt dann oft in Wolken.

Dipl.-Met. Marco Manitta
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 13.04.2024
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Neue Intensitätsklassifikation für Tornados: Die Internationale Fujita Skala (IF)

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Tornados gehören zu den gefährlichsten und schadensträchtigsten Wetterereignissen weltweit. Da es sich um verhältnismäßig kleinräumige Phänomene handelt, gestaltet sich die direkte Messung der Windgeschwindigkeiten innerhalb des Tornados aber sehr schwierig. Selbst „indirekte“ Messungen mit Hilfe von Fernerkundungsinstrumenten wie dem Wetterradar oder die Abschätzung durch die photogrammetrische Analyse von Bildern und Videos des Tornados unterliegen mitunter Ungenauigkeiten. So bleibt am Ende meist nur die Abschätzung der Windgeschwindigkeiten anhand von Schadensbildern.

Eine solche schadensbasierte Intensitätsskala wurde bereits 1971 vom amerikanisch-japanischen Meteorologen Ted Fujita entwickelt. Die Fujita-Skala (F) enthielt ursprünglich 12 Stufen von F1 bis F12, wobei jeder Stufe ein exakt definierter Windgeschwindigkeitsbereich zugewiesen wurde. Die Windgeschwindigkeiten wurden im zweiten Schritt mit groben Schadensausmaßen qualitativ verknüpft, um die Tornadointensität zu bestimmen. Die Schadensindikatoren waren aber noch sehr generell und ohne wissenschaftliche Basis. Mit der Einführung der „Erweiterten Fujita Skala“ (EF) wurde in den Vereinigten Staaten im Jahre 2007 eine neue Intensitätsskala präsentiert, die zwar auf der ursprünglichen F-Skala basierte, aber deutlich spezifischere Schadensindikatoren und eine wissenschaftlich fundiertere Assoziation zwischen Windgeschwindigkeiten und Schäden beinhaltete.

Die Schadensindikatoren selbst basieren allerdings auf der typisch nordamerikanischen Leichtbauweise und sind deswegen nicht 1:1 auf andere Orte der Welt übertragbar. So gibt es weltweit eine Vielzahl an mehr oder weniger stark modifizierten Intensitätsskalen wie die Kanadische EF-Skala, die japanische EF-Skala oder die TORRO-Skala, die in Großbritannien entwickelt und von TorDACH (dem Kompetenzzentraum für lokale Unwetter in Deutschland, Österreich und der Schweiz) für Mitteleuropa angepasst wurde.

Wissenschaftler des ESSL (European Severe Storms Laboratory) und diverser Wetterdienste kamen in mehreren Workshops seit 2014 zusammen, um eine möglichst allgemeingültige Tornadoklassifikation zu entwickeln, die weltweit ohne weitere Anpassung angewendet werden kann: Die Internationale Fujita Skala (IF). Sie basiert auf den ersten 5 Stufen der ursprünglichen F-Skala, allerdings werden den Stufen keine fest abgegrenzten Windgeschwindigkeits-Intervalle zugeordnet, sondern nur Richtwerte. Zudem soll es sich bei den Windgeschwindigkeiten nicht mehr um Mittelwerte des horizontalen Windes in 10 Metern Höhe handeln, sondern um instantane 3-dimensionale Windgeschwindigkeiten auf Schadenshöhe, sodass auch Radardaten und photogrammetrische Analysen herangezogen werden können. Damit möchte man den real auftretenden maximalen Windgeschwindigkeiten näherkommen. Um eine feinere Unterscheidung vornehmen zu können, werden zwischen Stufe IF0 und IF3, wo sich die große Mehrheit der Ereignisse einsortieren dürfte, Halbstufen eingeführt (siehe Abbildung 1).

Die wichtigste Errungenschaft der neuen IF-Skala ist allerdings die deutliche Erweiterung der Liste der Schadensindikatoren (Hausdächer, Fahrzeuge, Bäume, Windmessung, …) und die Berücksichtigung von unterschiedlicher Bauweise, Struktur oder Widerstandsfähigkeit des Schadensindikators bzw. der Art der Messung. Abbildung 2 zeigt die vollständige Liste der Schadensindikatoren (Damage Indicators). Aus der Kombination aus Schadensindikator, Bauweise (Subclasses) und Schadensausmaß (Degrees of Damage) lässt sich mit einer Matrix jeweils eine IF-Stufe ableiten. Der Tornado erhält schließlich die aus dieser Ableitung hervorgehende höchste IF-Stufe, basierend auf dem schlimmsten Schaden bzw. der höchsten Windgeschwindigkeit, die er produzierte. Selbstverständlich können auch andere, nicht-tornadische Windereignisse auf diese Weise klassifiziert werden.

Die Ergebnisse der Analysen werden auf der European Severe Weather Database (ESWD) veröffentlicht, inklusive der IF-Klasse und des dafür entscheidenden Schadensindikators.

Tiefergehendes Material zum Thema „Internationale Fujita Skala“ und Beispiele erhalten Sie auf der Seite des ESSL (siehe Link unter diesem Text).

Dipl.-Met. Adrian Leyser
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 11.04.2024
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Die knieenden Mönche im Schnee

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Zugegeben, bei den teils sommerlich anmutenden Bedingungen ist ein winterliches Thema auf den ersten Blick etwas fehl am Platz, doch wir werden sehen, dass dem nicht so ist. Beginnen wir nun aber der Reihe nach.
Was macht man, wenn man sich im Winter vor lauter Grau, Regen und Wetter-Tristesse mal nach etwas Abwechslung in Form schöner Schneebilder sehnt? Richtig, man durchforstet die unzähligen Bildberichte im Internet von wagemutigen Bergsteigern, deren Reiseberichte mit schönen Aufnahmen gespickt sind. Neben beeindruckenden Panoramaaufnahmen von Gipfeln, wo man als Normalsterblicher wohl eher nicht hinwandern würde, kann man sich an tief verschneiten Schneelandschaften sattsehen – und stolpert manchmal über Aufnahmen, die einen stutzen lassen.
So auch in diesem Fall bei einem Bericht von einem Bergsteiger in den Anden.

Nach etwas Nachforschung stellte sich heraus, dass die entdeckten Schnee- und Eisformationen in der Tat einen Namen besitzen und zudem auch noch Gegenstand aktueller Forschungen sind. Sie tragen den englischen Namen „snow penitents„, was sich ins Deutsche in etwa in „Büßerschnee oder Büßereis“ übersetzen lässt. Wieso diese Benennung? Von der Ferne sehen die Formationen aus wie betende Mönche mit ihren weißen Hauben, was die früheren Entdecker auf diese Namensgebung brachte.

 

Seit der Entdeckung dieser Schneeformationen im Jahre 1835 durch keinen geringeren als Charles Darwin, rankten sich unzählige Theorien über deren Entstehung. Die Theorien umfassten den Einfluss der Sonne, einen warmen Wind oder aber die elektromagnetische Ausrichtung der Schneeflocken. Besonders oft konnte man von diesen Beobachtungen hören, wenn z.B. in alpinen Regionen nach einer schneereichen Periode im Spätwinter/Frühling direkt eine heiße Witterung folgte (wie es auch aktuell der Fall war). Anderswo kann man solche Formationen sehr häufig beobachten, und zwar in Gebirgen, die in subtropischen oder tropischen Bereichen liegen, wie z.B. den Anden in Chile.

Bereits 1942 erkannte der Professor C. Troll, dass wohl einzig die Sonnenstrahlung für die Entwicklung des Büßereis verantwortlich sei. Seitdem gab es weitere Studien und Untersuchungen, wo das Bild der Entwicklung immer genauer nachvollzogen werden konnte. Grundsätzlich sind folgende meteorologische Bedingungen notwendig:

Die Lufttemperatur sollte nahe dem Gefrierpunkt zu finden sein, der Taupunkt sollte sich deutlich unterhalb des Gefrierpunktes befinden und es muss eine starke Sonneneinstrahlung vorhanden sein. Dies alles ist z.B. in den Hochlagen der (sub)tropischen Gebirge gegeben.

Doch wie entstehen diese Skulpturen nun eigentlich? Man kann den Entstehungsprozess z.B. mit der Entwicklung von Schlaglöchern in Straßen vergleichen. Dort sorgen die kleinste Unebenheit oder Risse für eine Wasseransammlung, die durch wiederholte Gefrierprozesse im Winter sowie durch mechanische Einwirkung des Straßenverkehrs zügig echte Krater in den Straßen hervorrufen kann.

In unserem Fall sorgt die kleinste Unebenheit oder etwa Staub auf der Schneeoberfläche dafür, dass eine zunehmende Mehrfachreflexion der einfallenden Sonnenstrahlen die Chance erhöht, dass die Strahlungswärme vom Schnee aufgenommen werden kann (u.a. auch Veränderung der Albedo). Der direkte Einfluss der Strahlung ist wohl auch der bedeutendste Faktor bei der Entstehung der Formationen, was u.a. die Beobachtungen hervorheben, die die größten Formationen in den tropischen Bereichen sowie in hoch gelegenen Gegenden mit intensiver Sonneneinstrahlung zeigen.

Nun kommt die extrem trockene Luft ins Spiel, die den Taupunkt bei deutlich unter 0 Grad belässt. Würde der Schnee durch die aufgenommene Wärme schmelzen, dann würde sich Wasser sammeln und der Schnee würde an diesen Stellen nicht mehr bzw. stark verzögert weiter schmelzen können. Doch bei der trockenen Luftmasse erfolgt auch kein Schmelzprozess, sondern eine direkte Phasenumwandlung von fest zu gasförmig, genannt „Sublimation“. Die durch diesen Prozess benötigte Energie wird durch die Sonnenstrahlung wieder zugeführt, sodass sich ein Art Gleichgewichtsprozess einstellen kann. In den Senken sorgt die zunehmend komplexere Reflexion des Sonnenlichts dafür, dass immer mehr Wärme gespeichert werden kann und somit die großen Hohlräume entstehen. An der u.a. von der Wissenschaftlerin Meredith Betterton (Universität Colorado) aufgestellten Theorie gibt es Zweifel, dass dieser Prozess nicht alles erklärt. So würde man alleine durch den beschriebenen Prozess nicht die zu beobachtende recht homogene Größe der schneefreien Flächen erhalten. Von hier aus geht es weit in die Schneephysik hinein sowie in Feinheiten wie z.B. die Tatsache, dass Wärme von den Schneekuhlen weniger effektiv abgestrahlt werden kann, als von den Schneespitzen, was auch einen vertikalen Temperaturgradienten nach sich zieht, was wiederum die Sublimationsrate beeinflusst. Wie so oft zeigt sich, dass auch diese schönen Naturphänomene einer komplexen Entwicklung unterworfen sind.

Der Wind sollte zudem recht schwach ausfallen, da er sonst die benannten physikalischen Prozesse rasch (negativ) beeinflussen könnte. Das ist auch der Grund, wieso viele dieser Formationen im Lee von Bergen oder Hängen zu finden sind, wo ein gewisser Windschutz besteht.

Wenn Ihr Interesse nun geweckt wurde, dann können Sie gerne noch weitere Informationen in dem unten aufgeführten „fachlichen“ Link nachlesen. Ansonsten bleibt mir nur Ihnen viel Spaß beim Genießen der im Internet zu findenden Bilder zu wünschen und wer weiß: Vielleicht hat ja jemand von Ihnen diese Formation schon einmal in echt sehen und fotografieren können?

Dipl. Met. Helge Tuschy
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 10.04.2024
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Start in die Gewittersaison

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Warnungen entstehen grundsätzlich in einem mehrstufigen Prozess. Dabei ist es egal, welchen Warnparameter man betrachtet, es gilt für Schneefall genauso wie für Wind oder eben auch Gewitter. Allerdings sind Gewitter weit im Voraus schwierig vorherzusagen. Dieser Warntyp erfordert eine ständige Beobachtung, Neubewertung und Anpassung der aktuellen Lage in der Kürzestfrist, auch „Nowcasting“ genannt. Die Vorbereitungszeit bei Gewittern ist recht „entspannt“, dafür erfordert die Warnzeit ein hohes Maß an Agilität. Bei skaligen Ereignissen wie Wind oder längerem Regen ist hingegen die Vorbereitungszeit intensiver als die Warnzeit.

Bereits etwa 6 Tage vor einem Warnereignis kann man mit Hilfe probabilistischer Ensemble-Verfahren schon einmal grob vorpeilen, ob ein markantes oder Unwetter-Ereignis möglich ist. Bis zum Vorhersagezeitpunkt werden laufend die Ergebnisse aus Ensembleberechnungen und deterministischen Modellen verglichen und im Falle einer zu erwartenden Unwetterlage wird bis zu 3 Tage vor einem Ereignis ein erster grober Unwetterhinweis formuliert. Etwa 48 Stunden vor einem Wetterereignis liefern fein aufgelöste Lokalmodelle die notwendigen Details zur Eingrenzung eines Warngebietes und nicht selten den eigentlichen Input für die Ausprägung der zu erwartenden Warnlage. Aufgrund der feinen Modellauflösung ist die benötigte Rechenleistung sehr hoch und der Vorhersagehorizont daher begrenzt.

Einen Wetterwarnentwurf gibt es meist 24 Stunden vor einem Ereignis. Bei einer erneuten Modell- und Ensembleanalyse sowie bei großräumigen Ereignissen auch einer Sichtung der Punktprognosen aus dem MOS (Model Output Statistics) kann nun eine Warnung in einem näher bestimmten Gebiet vordefiniert werden. Im meteorologischen Kürzestfristzeitraum – 6 bis 12 Stunden vor einem Wetterereignis – wird der Warnentwurf noch einmal überprüft und gegebenenfalls angepasst. Jetzt fließt auch das aktuelle Wetter in Form von Messwerten, Radar-, Blitz- und Satellitendaten sowie von analysierten Wetterfronten in die zu konkretisierende Wetter- oder Unwetterwarnung mit ein.

Bei Gewittern kann eine Warnung meist nur sehr kurzfristig erfolgen. Sind großräumig schwere Gewitter wahrscheinlich, wird mittels Vorabinformation auf das Potenzial und die möglichen Auswirkungen hingewiesen. Dann wird meistens auch ein Unwetterclip produziert, der noch einmal in Bild und Ton auf die möglichen Gefahren hinweist und den Bereich eingrenzt. Oft wird in diesen Videos auch auf die Sicherheit oder Unsicherheit der Lage hingewiesen. Gerade aber bei Wärmegewittern, die sich spontan und schnell bilden, sind oft schon erste Blitze aufgetreten, bevor eine Warnung erfolgt.

Sollten Sie also im Wetterbericht für Ihre Region das Wort „Gewitter“ hören oder lesen, empfiehlt sich des Öfteren ein Blick in den Himmel und in eine Wetter-App. Mit der WarnWetter-App des Deutschen Wetterdienstes erhalten Sie alle Warnungen kostenfrei. Im Falle einer großräumig schadensträchtigen Gewitterzelle können Sie Warnungen auch direkt mittels Cell Broadcast auf Ihrem Mobiltelefon empfangen.

Dipl. Met. Jacqueline Kernn
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 06.04.2024
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Der Sturmwarndienst am Bodensee – Blinklichter, die Leben retten

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Die Gründung des Sturmwarndienstes Bodensee geht auf ein Sturmereignis im Jahr 1937 zurück. Damals starben am 18. Juli sieben Menschen. 1957 wurde dann die Vereinbarung über den Sturmwarndienst gefasst. In den Jahren darauf bildete sich eine Arbeitsgruppe, welche sich mit den Windsystemen am Bodensee befasste: Die sogenannte Internationale Sturmwarnkonferenz. Und Windsysteme gibt es am Bodensee einige, alleine aufgrund der Nähe zu den Alpen. Beispielhaft lässt sich hier der Föhn nennen, welcher regelmäßig auf den Ostteil und – bei besonders kräftigen Föhnereignissen – sogar bis auf den Mittelteil des Sees ausgreift. Der föhnreichste Monat im Jahr ist übrigens der aktuelle April.

Die Aufteilung des Sees in West, Mitte und Ost fand übrigens erst im Jahr 2000 statt, als die Mitglieder der Internationalen Sturmwarnkonferenz beschlossen, ein kleinräumigeres und detailliertes Warnmanagement umzusetzen, was durch eine Aufteilung von bisher zwei (West/Ost) auf die genannten drei Seeteile gelang. So kann den Bedürfnissen der Seenutzer sowie der Wasserschutzpolizei Rechnung getragen werden. Diese profitieren in großem Maße vom Sturmwarndienst Bodensee, was sich in Lob und Dank gegenüber den zuständigen Wetterdiensten MeteoSchweiz, GeoSphere Austria und dem Deutschen Wetterdienst äußert.

Die aktive Ausübung des Sturmwarndienstes führen MeteoSchweiz und der Deutsche Wetterdienst in gemeinsamer Absprache durch. Das heißt, es werden Warnungen je nach Windstärke in zwei Stufen ausgesprochen und im Sommerhalbjahr zwischen 6 und 22 Uhr über Sturmwarnleuchten entlang des Ufers signalisiert:

• Stufe 1: Starkwindwarnung. Ab 25 Knoten (46 km/h).
• Stufe 2: Sturmwarnung. Ab 34 Knoten (63 km/h).

Bei großen Festlichkeiten im Sommer findet zum Teil eine Ausweitung der Signalisationszeiten bis auf 24 Uhr statt. Großereignisse wie das Seenachtfest Konstanz/Kreuzlingen und die „RundUm” werden sogar die ganze Nacht hindurch betreut.
Die Signalisation zeigt an insgesamt 30 installierten Leuchten ein zu erwartendes Windereignis der Stufe 1 mit 40 Blitzen pro Minute und ein Windereignis der Stufe 2 mit 90 Blitzen pro Minute an. So ist für den Seenutzer auf dem Wasser direkt zu erkennen, welche Maßnahmen er einleiten sollte, um sich und seine Mitmenschen in Sicherheit bringen zu können. Meist bleibt hierfür noch genug Zeit, da der Sturmwarndienst Bodensee vorausschauend agiert und in der Regel etwa eine Stunde vor Erreichen bzw. Überschreiten der Warnschwellen tätig wird.

Neu seit 2024 ist eine rundum erneuerte Software und Ansteuerungstechnik der Warnbeleuchtung, die durch die Stadtwerke Konstanz unter Federführung des Schifffahrtsamtes Konstanz entwickelt und umgesetzt wurde. Damit wurde es auch möglich, dass von nun an der Deutsche Wetterdienst am Standort Stuttgart die Signalisation der Leuchten auf baden-württembergischer, bayrischer und österreichischer Seite übernimmt. Zuvor wurde diese Aufgabe von der Wasserschutzpolizei Konstanz wahrgenommen. So wurde nicht nur die Lampensteuerung optimiert, sondern durch die Einsparung eines Zwischenschrittes und damit wertvoller Zeit auch die Effizienz erhöht. Damit kann sich die Wasserschutzpolizei nun noch intensiver um in Seenot Geratene kümmern und ihren anderen wichtigen Aufgaben nachkommen.
Der Deutsche Wetterdienst wünscht allen eine gute und sichere Sommersaison am oder auf dem Bodensee.

M.Sc. Kai-Uwe Nerding, RWB Stuttgart
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 03.04.2024
Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

DWD führt Kelvin-Temperaturskala in Wetterberichten ein

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In intensiven Absprachen mit zahlreichen nationalen Wetterdiensten hat die „World Meteorological Organisation“ (WMO) beschlossen, William Thomson, 1. Baron Kelvin (kurz: Lord Kelvin) eine Ehre zu erweisen. Dazu sollen zu seinem 200. Geburtstag am 26. Juni 2024 weltweit für ein Jahr die Temperaturvorhersagen in der von ihm eingeführten Kelvin-Skala angegeben werden. Da diese Temperaturskala einige Vorteile mit sich bringt, wird in Erwägung gezogen, diese auch über das Gedenkjahr hinaus beizubehalten und als neue offizielle Temperatureinheit einzuführen. Um den Bundesbürgern diese Umstellung zu erleichtern, führt der DWD in einem Parallelbetrieb bereits in den kommenden Wochen die Kelvin-Skala ein.

Der britische Physiker Lord Kelvin (* 26. Juni 1824, † 17. Dezember 1907) war ein britischer Physiker auf den Gebieten der Elektrizitätslehre und der Thermodynamik. Aufgrund seiner vielfältigen wissenschaftlichen Leistungen war Thomson zeitweilig einer der bekanntesten und einflussreichsten Wissenschaftler Europas, was ihm die Erhebung in den Adelsstand und die Peerswürde einbrachte. Bekannt wurde er durch die später nach ihm benannte thermodynamische Temperaturskala, die er im Alter von 24 Jahren einführte.

Bei der Kelvin-Skala (kurz: K) handelt es sich neben der in Europa gängigen „Grad-Celsius-Skala“ (°C) und der in den USA und Großbritannien geläufigen „Grad-Fahrenheit-Skala“ (°F) also um eine weitere Temperatureinheit, die bisher hauptsächlich in der Wissenschaft genutzt wurde. Kelvin ist die seit 1968 gesetzlich festgelegte SI-Einheit der Temperatur. Dabei beschreibt 0 K den absoluten Nullpunkt, der bei -273,15 °C liegt. Dies ist die tiefst mögliche Temperatur, die nur theoretisch erreicht und nicht unterschritten werden kann. Die Differenz zwischen zwei Temperaturwerten ist bei der Kelvin- und Celsius-Skala gleich groß. Daher handelt es sich in Regionen, die die Celsius-Skala nutzen, lediglich um eine Verschiebung der Temperaturwerte um 273,15 K. So entsprechen 0 °C = 273,15 K; 1 °C = 274,15 K; 10 °C = 283,15 K usw. Bei der Fahrenheit-Skala ist die Umrechnung etwas komplizierter.

Scientific Identity, Portrait of William Thomson, Baron Kelvin

Die weltweite Umstellung zur Einheit Kelvin bringt einige Vorteile mit sich. Allen voran steht natürlich die Vereinheitlichung der Temperaturskalen. Da sowohl bei der Celsius- als auch bei der Fahrenheit-Skala bei der Beschreibung von Temperaturen umgangssprachlich häufig lediglich von „Grad“ die Rede ist, kam es in der Vergangenheit immer wieder zu Verwechslungen. Zudem ist ein großer Nachteil der Celsius-Skala, dass bei dieser 0 bzw. 100 °C durch den Gefrier- bzw. Siedepunkt von Wasser bei einem Druck von 1013,25 hPa definiert ist. Diese Fixpunkte sind also abhängig vom Druck und dem chemischen Element. Bei abweichenden Luftdrücken (z.B. in höhergelegenen Regionen) sowie bei anderen Lebensmitteln (z.B. Milch) besteht dann kein Zusammenhang mehr zwischen deren Siede- bzw. Gefrierpunkten und der Celsius-Skala. Kelvin ist hingegen unabhängig vom Luftdruck und chemischen Elementen und dadurch eindeutig definiert.

Um Ihnen genügend Zeit zu geben, sich an die neue Temperaturskala zu gewöhnen, stellt der DWD bereits jetzt sukzessive die Wetterberichte in einem Parallelbetrieb um und gibt beide Temperaturen an. Der heutige Wetterbericht würde also wie folgt lauten:

„Heute zunächst in der Westhälfte Regen. Im Nordosten und Südosten anfangs noch trocken. Im Tagesverlauf bei starker Bewölkung auch dort zeitweise etwas Regen oder Schauer. Tageshöchstwerte 283 bis 287 K (10 bis 14 °C), im Osten und Südosten nochmals 288 bis 293 K (15 bis 20 °C). Im Norden schwacher bis mäßiger Wind aus Ost, im Süden und der Mitte dagegen zeitweise stürmische Böen aus Südwest.

In der Nacht zum Dienstag im Nordwesten und Norden anfangs Regen, nordostwärts abziehend. Sonst wechselnd bewölkt und gebietsweise Schauer. Abkühlung auf 282 bis 277 K (9 bis 4 °C). Vor allem im Nordosten und Osten noch starke bis stürmische Böen.“

Auch in den Wetterberichten in Funk und Fernsehen sowie in Printmedien wird in den kommenden Wochen diese Umstellung erfolgen. Ab dem 26. Juni wird dann nur noch die Einheit Kelvin in den Berichten des DWD verwendet. Diese ist dann vorläufig für ein Jahr gültig. In dieser Testphase wird evaluiert, ob sich die neue Temperaturskala bewährt. Im kommenden Jahr wird schließlich Bilanz gezogen und von der WMO entschieden, wie nach dem 26.06.2025 weiter verfahren wird. Die Entscheidung hängt hauptsächlich vom Feedback der Bevölkerung ab, aber auch politische Entwicklungen wie beispielsweise das Ergebnis der Präsidentenwahl in den USA könnten eine Rolle spielen.

Bis dahin werden im Handel noch weitgehend Thermometer mit den bisher gängigen Skalen verkauft. Die WMO steht aber bereits seit längerer Zeit in engem Kontakt mit der Industrie. Die Produktion von Thermometern mit der Kelvin-Skala soll aber erst in Serie gehen, falls die Beibehaltung der neuen Skala beschlossen werden sollte. Die großen Autokonzerne haben aber bereits signalisiert, dass bei neueren Autos mit Bordcomputern lediglich ein kleines Software-Update bei der jährlichen Inspektion in den Vertrags-Werkstätten nötig sein wird, um die Temperaturanzeige im Auto auf die neue Einheit umzustellen. Einige Firmen von Elektroherden haben ebenfalls Interesse gezeigt, für bestehende Modelle Drehknöpfe mit der neuen Skala anzubieten, die leicht austauschbar sind. Allerdings gibt es aktuell auch noch einige Probleme, für die bisher keine Lösung gefunden werden konnte. Als Beispiel sind die zahlreichen Temperaturanzeigen zu nennen, z.B. an den Hausfassaden von Apotheken, die meist nur eine zweistellige Temperaturanzeige besitzen und somit nicht ohne Weiteres auf die Kelvin-Skala umgestellt werden können. Die WMO und die Industrie sind aber zuversichtlich, diese Probleme nach und nach lösen zu können.

Der DWD erhofft sich viele positive Impulse durch die Kelvin-Skala und würde sich über ein reges Feedback von Ihnen freuen, welches Sie z.B. an tdt@dwd.de richten können.

Dr. rer. nat. Markus Übel (Meteorologe)
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 01.04.2024
Copyright (c) Deutscher Wetterdienst