Diabatische Rossbywellen – eine etwas andere Tiefdruckentwicklung

Die Feiertage sind nun fast vorüber und die diesjährige besinnliche Zeit verlief mit Blick auf das Wettergeschehen dank des umfangreichen und langlebigen Hochdruckgebietes GÜNTHER insgesamt sehr ruhig.

Heute vor 25 Jahren sah dies ganz anders aus. Damals beendeten die beiden Orkane LOTHAR (26.12.1999) und MARTIN (27.12.1999) in West- und Mitteleuropa die weihnachtliche Ruhe schlagartig. Die Spitzenböen im Binnenland, die durch LOTHAR auftraten, waren wahrlich beeindruckend: In Baden-Württemberg meldeten die Stationen Stuttgart Schnarrenberg 139 km/h, Lahr 144 km/h und Stötten 176 km/h. Im höheren Bergland wurden gar maximale Böen von 197 km/h auf der Zugspitze oder 259 km/h auf dem Wendelstein gemessen. Auf der Wetterkarte (Abbildung 1) erkennt man farbig dargestellt das in 500 hPa sowie in Form der weißen Linien den Bodendruck. LOTHAR wurde entlang der Südseite des tiefen Geopotenzials zügig vom offenen Atlantik nach Mitteleuropa geführt und weiter westlich stand bereits MARTIN in den Startlöchern.

Diese Sturmserie wurde in den folgenden Jahren genau untersucht. Dabei fiel auf, dass sich LOTHAR zunächst nicht klassisch entwickelte, sondern einen bis dahin noch nicht sehr bekannten Entwicklungsweg einschlug. Dieser Werdegang war zwar in den 80-iger und 90-iger Jahren bereits Gegenstand der Forschung, allerdings unter einem anderen Namen und darüber hinaus im Zusammenhang mit der  vor China, Taiwan und Japan.

Im vorliegenden Fall handelte es sich um eine sogenannte „diabatische Rossbywelle“, die sich in der Folge zum Orkan LOTHAR entwickelte. „Diabatische Rossbywellen“ werden manchmal für besonders intensive Tiefdruckentwicklungen verantwortlich gemacht, weshalb wir dieses Phänomen nachfolgend näher betrachten. Aufgrund der Komplexität und der Übersicht halber, tun wir dies jedoch recht oberflächlich:

Die übliche Entwicklung eines außertropischen Tiefdruckgebietes wird meist von der Höhe aus angetrieben. Dies geschieht nicht selten in Form einer Störung (beispielsweise einem kleinräumigen Gebiet mit tieferem Geopotential, umgangssprachlich als „Welle“ oder „Kurzwellentrog“ bezeichnet), die mit einem ausgeprägten Temperaturgradienten interagiert. Dieser vertikale Temperaturunterschied mit der Höhe erstreckt sich über die gesamte Troposphäre. Dort herrscht am meisten Bambule: viel Wind, viel Hebung und Aufsteigen; beste Voraussetzungen für sich entwickelnde Tiefdruckgebiete. Eine „diabatische Rossbywelle“ hingegen entwickelt sich nur in einem vertikal gesehen sehr begrenzten Bereich, beispielsweise in den untersten 1 bis 2 km über Grund, meist innerhalb eines kräftigen Niederschlagsgebietes über dem Meer. Die Definition besagt, dass es sich dabei um eine gut ausgeprägte Störung handelt, die sich in einer feuchten Umgebung (viel Wasserdampf) befindet und in der sehr große horizontale Temperaturgradienten vorherrschen. Der wichtigste Punkt aber ist die Feuchtigkeit. Wenn diese gehoben wird, bilden sich Wolken und dabei wird  freigesetzt. Dies sorgt für rege Wolkenbildung an der Ostflanke der Störung und die Störung baut kontinuierlich nach Osten an – sozusagen ein selbsterhaltender Prozess, bei dem kein externer Antrieb (wie beispielsweise ein Höhentrog) benötigt wird. Durch diesen Prozess gelingt es der Störung schneller zu ziehen, als es die Hintergrundströmung eigentlich erlauben würde (nicht selten 250 km innerhalb von 6h). In solch einer Umgebung herrschen Zustände, die von Wettermodellen häufig nicht gut erfasst werden. Dazu zählen: vertikal stark begrenzte Ausdehnung, viel Freisetzung von latenter Wärme und eine Verlagerungsgeschwindigkeit jenseits dessen, was eigentlich zu erwarten wäre. Kein Wunder, dass es bei dieser Art der Tiefdruckentwicklung nicht selten zu Überraschungen im Bereich der numerischen Vorhersage kommt.

Während der initialen Phase setzt meist kein größerer Druckfall des sich entwickelnden Bodentiefs ein oder anders ausgedrückt: das Tief entwickelt sich vorerst kaum weiter. In der Folge kann sich dann aber die Entwicklung ähnlich der einer „normalen“ Tiefdruckentwicklung vollziehen. Sobald die „diabatische Rossbywelle“ aber mit all ihrer Feuchte als echtes Energiebündel in die Reichweite eines Troges kommt oder den Höhenjet durchquert, erfolgt nicht selten eine rasante Intensivierung des Bodentiefs.

Klimatologisch gesehen entstehen im Nordatlantik jedes Jahr im Schnitt 43 solcher Wellen, von denen sich glücklicherweise nur rund 15 Prozent rasant entwickeln, was in Zahlen ausgedrückt 5 oder 6 Fälle sind . Zwar ist das klimatologische Maximum dieser Wellen zwischen Island und Grönland zu finden, allerdings gelingt es doch immer wieder einzelnen Wellen, das europäische Festland zu erreichen.

Übrigens begann die Entwicklung von LOTHAR bereits am 23. Dezember 1999 nordöstlich von Florida in Form einer solchen Welle, bevor sie sich rund 48 Stunden später über dem Nordatlantik explosionsartig intensivierte und eine Spur der Verwüstung durch West- und Mitteleuropa zog.
Nach so vielen Worten tut es gut, wenn man das Gesagte in Form von Bildern nachvollziehen kann. Dafür verwenden wir einen Fall aus dem Dezember 2005, der sich über dem Nordatlantik zugetragen hat.

Im Verlauf des 17. Dezembers entwickelte sich über dem Golf von Mexiko eine Störung, die nur in den untersten Bereichen der Troposphäre besser ausgeprägt war (hier nicht gezeigt). Diese Störung zog am Folgetag ostwärts weiter, überquerte Florida und lag am 18. Dezember knapp nordöstlich des Blake Plateaus (Abb. 2: unten, gelber Kasten). Im Satellitenbild erkennt man in dem Bereich rege und hochreichende Konvektion, die seit dem Vortag beständig peripher des Bodentiefs zu finden war.

Nur 12 Stunden später zog das Bodentief rasch weiter nach Nordosten und weitete sich immer weiter auf. Dabei kam es zu keiner großartigen Intensitätsänderung. Im oberen Bild ist farblich die Abweichung des niederschlagbaren Wassers zur Klimatologie (1991 bis 2020) dargestellt. Die roten Farben heben eine Schliere mit ungewöhnlich hohen Feuchtewerte hervor, die sich vom Golf von Mexiko nordostwärts ausgedehnt hatte und auch den Bereich betraf, in dem das Bodentief lag. Somit war ein wichtiger Punkt für die Entwicklung einer „diabatischen Rossbywelle“ gegeben, nämlich die Feuchte.

Am 20. Dezember erreichte die Rossbywelle letztendlich einen Bereich, in dem die Höhenwinde dramatisch zunahmen und vor der Ostküste der USA über 130 kt in 200 hPa erreichten (Bild links oben, Legende fehlt). Gleichzeitig näherte sich von den USA ein markanter Höhentrog (blauer Strich im Bild rechts oben, in dem das Geopotenzial in 500 hPa dargestellt ist), der von nun an eine stetige Intensivierung des Bodentiefs unterstützte. Das gelbe Kreuz im Bild rechts oben zeigt grob die Position des Bodentiefs, das in der Folge vom Höhentrog (blauer Strich) eingefangen wurde.

Das Bodentief entwickelte sich fortan rasant weiter, um letztendlich mit einem Kerndruck von rund 975 hPa als veritables Sturmtief über dem offenen Nordatlantik sein Unwesen zu treiben.

Es ist sicherlich verständlich, dass die Entwicklung dieser „diabatischen Rossbywellen“ weiterhin Gegenstand der Forschung ist, denn sie können nicht nur beeindruckend im Satellitenbild aussehen, sondern gehen beim Landgang bei entsprechender Intensivierung auch mit einem hohen Schadenspotenzial einher.

Mag. rer. nat. Helge Tuschy
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 26.12.2024
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