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Anhaltend Gewitter durch Hochdruckgebiete?

brueste

Abziehendes Hagelgewitter über Salzburg, Blick zum Untersberg und Tennengebirge

Der aktuelle Beitrag im ORF (abgerufen am 09.06.18) über die Häufung von sturzflutartigen Gewittern in Österreich geht in die richtige Richtung …

Wostal verwies in diesem Zusammenhang auch auf eine Studie des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) aus dem Jahr 2014, wonach die großräumigen Hoch- und Tiefdruckgebiete langsamer ziehen als früher. „Da der Temperaturunterschied zwischen dem Norden und Süden geringer geworden ist, wurden auch die Systeme langsamer“, so Wostal. Die Folge: Wetterlagen wie etwa Hitzewellen halten sich länger.

Zwei Schritte übersprungen, offenbar kann man der österreichischen Bevölkerung wissenschaftliche Erklärungen nicht zumuten. Zum Mitschreiben:

Die Arktisregion erwärmt sich im Rekordtempo, die Eisflächen schmelzen rapide dahin. Dadurch wird weniger Sonnenlicht reflektiert und die Erwärmung beschleunigt sich. In den gemäßigten Breiten bleiben die Temperaturen konstant oder erwärmen sich nur langsam, am Äquator ändert sich nur wenig (das Wasser wird etwas wärmer). Die Temperaturunterschiede zwischen Äquator und Pol verringern sich also insgesamt. Temperatur- und Druckunterschiede treiben durch die thermische Windgleichung den Strahlstrom in der Höhe an („Jetstream“). Dies ist das in unseren gemäßigten Breiten berühmte Westwindband, welches die Tiefdruckgebiete steuert. Wenn der Jetstream schwächelt und schlingert („mäandert“), dann verlangsamt sich einerseits die Strömung, Wetterlagenumstellungen geschehen langsamer, und anderseits blockiert die Strömung völlig oder wird rückwärtsgewandt („retrograd“).

Dies ist in einem fundierten Blogartikel des Atmosphärenwissenschaftlers Judah Cohen näher ausgeführt (Übersetzung):

„Es hat sich herausgestellt, dass diese atmosphärische Konstellation mit einem Jetstream im Norden und Süden und sehr schwachen Winden dazwischen ideal ist, um beständige Wellen an einem Ort festzuhalten und zu vergrößern. Dieser Vorgang wird quasi-resonante Amplifizierung (QRA) genannt. Wenn die QRA auftritt, werden atmosphärische Wellen festgesetzt und bestehen viel länger als normal. Daraus erhöht sich nachfolgend die Wahrscheinlichkeit für Extremwetter wie Hochwasser, Dürre oder Hitzewellen. Aufgespaltene Jetstreams, beständige atmosphärische Wellen und Extremwetter haben in den vergangenen zwei Jahrzehnten erwiesenermaßen zugenommen.“
Als Schlussfolgerung das Zitat von oben:
Wetterlagen wie etwa Hitzewellen halten sich länger.

Die Argumentation mit der lokalen Temperaturerwärmung würde ich nicht überstrapazieren. Es stimmt zwar, dass wärmere Luft mehr Feuchte aufnehmen kann, aber entscheidend für die Absolutmengen ist die Dauer des Niederschlagsereignisses. Diese ist durch die langsame oder fehlende Zuggeschwindigkeit der Gewitter deutlich erhöht. Und das geschieht derzeit ständig, fast täglich. Es gab dieses Frühjahr bisher nur wenige Lagen mit schnellziehenden Gewittern – eben, weil sich die Großwetterlagen kaum ändern.

Nun aber zum eigentlichen Meteoerror: Im ORF-Text wird zwei Mal etwas von Hochdruckgebieten geschrieben …

Seit Wochen befindet sich Österreich schon im Einflussbereich eines Hochdruckgebiets mit feuchtwarmen Luftmassen aus dem Mittelmeerraum. Was fehlt, sind stärkere Frontensysteme, die einen Luftmassenwechsel einleiten könnten. Zudem weht nur schwacher Südwind.
Häufiger habe man es in heimischen Lagen ja mit Wetterströmungen aus dem Nordwesten oder Westen zu tun, die relativ flott über das Gebiet ziehen, so Wostal. Das sei beim derzeit herrschenden Hochdruckgebiet eben nicht der Fall.

Das ist so falsch oder zumindest nur teilweise richtig. Es steht dort leider nicht, ob man die Druckverhältnisse am Boden oder in der Höhe meint. Ein Bodenhoch unterdrückt jedenfalls Gewitter, die Luft sinkt großräumig ab, wird trockener, es bildet sich eine Temperaturinversion („Deckel auf dem Kochtopf“) aus. Das erklärt nicht, warum es fast täglich kräftig gewittert.

Tatsächlich sorgen die warmen Luftmassen seit April für beständig hohes Geopotential in Mitteleuropa, verbunden mit hoher Nullgradgrenze. In dieses hohe Geopotential sind aber immer wieder kleinräumige Randtröge eingelagert, manchmal auch flache Bodentiefs. Diese sorgen in der Höhe für geringfügige Abkühlung bzw. am Boden für das Zusammenströmen feuchter und energiereicher Luftmassen. Statt von Hochdruckgebieten sollte man hier von Flachdruckwetterlagen sprechen, von Meteorologen umgangssprachlich Barosumpf genannt (weil sich am Boden kaum ausgeprägte Druckdifferenzen zeigen).

Wurde Xavier vom Klimawandel beeinflusst?

Dritter und hoffentlich letzter Beitrag zu Sturmtief XAVIER vom 5. Oktober 2017.

Ich vernehme in den Sozialen Medien das zunehmende Bedürfnis, Sturmtief XAVIER mit dem Klimawandel in Verbindung zu bringen und sogar in eine Reihe mit den Hurrikanen HARVEY, IRMA, MARIA, etc. zu stellen. Das ist ein Vergleich mit Äpfel und Birnen, auch wenn Hurrikane und XAVIER beide in atlantischem Gewässer entstanden.

Tropenstürme …. entstehen vollkommen anders als Tiefdruckgebiete gemäßigter Breiten:

Für die Entwicklung eines Tropensturms benötigt man …

  • eine Badewanne voll warmen Wassers (ideal: Golf von Mexiko, Karibik, zu klein: Ostsee, Mittelmeer: gerade so ausreichend)
  • geringe oder keine Luftmassenunterschiede (keine Fronten)
  • labile Luftschichtungen, die große Schauer- und Gewittersysteme erzeugen
  • geringer Höhenwind, weil sich sonst der Wirbel am Boden und in der Höhe entkoppeln und das System zerrissen wird
  • Coriolisparameter f > 0: Corioliskraft ist notwendig, damit das Gewittersystem in Drehung versetzt werden kann. Am Äquator entstehen daher keine Tropenstürme.

Für kräftige Tiefdruckgebiete in unseren Breiten benötigt man …

  • große Luftmassengegensätze
  • sehr feuchte und labile Luftmassen (z.B. aus einem ehemaligen Hurrikan heraus entstehend)
  • kräftige Höhenströmung (Jetstream)
  • warmes Ozeanwasser (niedrige statische Stabilität)

Nun könnte man einwenden, dass die Erwärmung der Meeresoberflächen doch auch Sturmtiefs wie XAVIER beeinflusst haben kann.

Dazu mehrere Einwände:

1. Bei Hurrikan HARVEY konnte man nachweisen, dass die Meeresoberflächentemperatur im Golf von Mexiko um 1-2°C über dem Durchschnitt lag.

Im Ostatlantik wurden dagegen wenige Tage vor, aber auch am gleichen Tag wie XAVIER über Deutschland fegte, sogar leicht negative Abweichungen gemessen.

2. Die Ursprünge von Sturmtief XAVIER liegen in einem mit recht warmen Luftmassen gefülltem Tiefdruckgebiet, das sich am 3. Oktober vor Neufundland befand. Es entstand im Gefolge von Hurrikan MARIA, ging aber nicht aus einem Tropensturm hervor.

Folgende Abbildungen zeigen die Entwicklung von XAVIER am Mittwoch, 04. Oktober, 02 MESZ (oben links), 14 Uhr MESZ (oben rechts), 20 Uhr MESZ (unten links) und am Donnerstag, 05. Oktober, 08 MESZ (unten rechts).

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Quelle: wetter3.de

Schwarz eingekringelt der ENTSTEHUNGSORT von XAVIER, nämlich als Warmfrontwelle. Die meisten Tiefdruckgebiete entstehen aus frontalen Wellen, und davon der überwiegende Teil an Kaltfronten. Warmfrontwellen treten vergleichsweise selten auf. XAVIER lag als Warmfrontwelle auf dem Jetstream und wurde so zügig nach Norddeutschland transportiert.

Mittwochmittag lag XAVIER vor der Westküste Irlands mit einem Kerndruck von 1007 hPa. Als er am Abend Irland und Schottland überquerte, sank der Kerndruck nur langsam auf 1005 bis 1002 hPa ab. Die eigentliche Vertiefung passierte erst über der Nordsee, als er in die Zirkulation des skandinavischen Sturmwirbels eingegliedert wurde. Binnen 16 Stunden sank der Luftdruck in Hamburg um 21 hPa ab, der niedrigste Luftdruck wurde um 13 Uhr mit 989 hPa erreicht. Der niedrigste Luftdruck von XAVIER dann zwei Stunden später über dem südlichen Mecklenburg-Vorpommern mit 986 hPa.

Wie kürzlich bei Hurrikan NATE zu beobachten, ist eine hohe Zuggeschwindigkeit starken Vertiefungen abträglich. NATE ging als Hurrikan der Kategorie 1 ans Festland, zuvor zog er mit bis zu 40km/h über den Golf von Mexiko und konnte aufgrunddessen nicht vom wärmeren Meeresoberflächenwasser profitieren. Bei XAVIER hingegen fand der stärkste Vertiefungsprozess über der südlichen Nordsee statt, allerdings war auch hier die Verweildauer über dem Wasser sehr kurz.

3. Die Omega-Gleichung

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Hinter diesem Monstrum verbirgt sich in Laiensprache gesagt der Grund für die starken Vertiefungen bei Sturmtiefs gemäßigter Breiten, nämlich Hebungsantrieb, der zu bodennahem Druckfall führt. Diese Hebung kann passieren durch …

  • Term 1: Höhentröge (Druckgebiete in der Höhe, die sich mit dem Höhenwind verlagern)
  • Term 2: Warmluftzufuhr (wärmere Luftmassen werden herangeführt)
  • Term 3: Bodenreibung (meist vernachlässigbar)
  • Term 4: Heizung durch Sonneneinstrahlung (meist vernachlässigbar)

Alle vier Antriebsterme weisen den Vorfaktor 1/σ auf, d.h. die Stärke des Antriebs ist umgekehrt proportional zur statischen Stabilität. Je niedriger die statische Stabilität, umso intensiver sind die Auswirkungen der einzelnen Antriebsterme. Hier kommt wieder das Warmwasserreservoir Ozean zum Vorschein, welches die statische Stabilität herabsetzt.

In vielen Fällen verstärken sich die Tiefdruckgebiete der mittleren Breiten aber trotz Warmwasserheizung nicht weiter, weil Term 1 und Term 2 von den Größenordnungen her viel bedeutsamer sind. Als sich Ex-Hurrikan MARIA in ein gewöhnliches Tief umwandelte, löste es sich während der Umwandlung im Ostatlantik auf, weil die Lage im Jetstream ungünstig war und keine weitere Entwicklung erlaubte.

Das ist der große Unterschied zwischen Hurrikan und Sturmtief:

Bei Tropenstürmen ist es wichtig, wenig Höhenwind und viel warmes Oberflächenwasser zu haben, zumal Tropenstürme zu 100% aus Gewittersystemen bestehen. Bei Sturmtiefentwicklungen hingegen ist starker Höhenwind umso besser und die Heizung von unten weniger wichtig. Eher spielt die Reibung eine Rolle, die über dem Festland stärker als über dem Ozean ist, aber die verändert sich durch den Klimawandel nicht.

Die Entwicklung des Sting Jets verkompliziert die Henne-Ei-Frage natürlich …trockene Einschübe aus höheren Luftschichten gibt es bei JEDEM Sturmtief und es ist bekannt, dass der stärkste Druckfall dann einsetzt, wenn dieser Einschub den Bodentiefkern überrennt. Das geschah jedoch, als XAVIER bereits über dem Festland war. Auch traten die stärksten Böen auf, als XAVIER bereits über Norddeutschland weiterzog.

Anekdote am Rande: Der in Österreich verheerende Sturm am 27. Jänner 2008, der fälschlicherweise Sturmtief Paula zugeschrieben wird, entstand ebenfalls aus einer Warmfrontwelle (hier als Randwelle Nr.2 tituliert), die sich von Sturmtief QUITTA (hier südlich von Island zu sehen) abspaltete.

Zusammenfassung:

Sturmtief XAVIER ist aus einer Warmfrontwelle eines Tiefs bei Neufundland entstanden und am 4. Oktober vor Irland als eigenständiges Tief in Erscheinung getreten. Es hat die Britischen Inseln unter leichter Vertiefung überquert und über der Nordsee und Norddeutschland den stärksten Druckfall erreicht. Die Spitzenböen traten gemeinsam mit dem „Sting Jet“ auf, als sich das Wolkenband der eingedrehten Warmfront in sehr trockene Luft auf der Rückseite vermischte und verdunstete. Sting Jets sind mesoskalige Phänomene, die man nicht auf den Klimawandel zurückführen kann. Die frühe Jahreszeit mit belaubten Bäumen und die Tageszeit haben zu Schäden und Todesopfern vor allem beigetragen. Es gab schon wesentlich heftigere Stürme in Norddeutschland. Für den Vertiefungsprozess des Sturmtiefs ist selbst eine etwas überdurchschnittlich warme Nordsee eher von untergeordneter Bedeutung aufgrund der hohen Zuggeschwindigkeit („Schnellläufer“) und der größeren Bedeutung der anderen Antriebsterme aus der „Omega-Gleichung“. Es gibt aus der Vergangenheit keine Beobachtung einer Häufung von Schnellläufern, im Gegenteil. Bei den letzten großen Sturmtiefs über Mitteleuropa (Xynthia 2010, Christian 2013, Emma 2008, Kyrill 2007) handelet es sich allesamt und großräumige Sturmtiefs. Tendenziell zunehmend ist außerdem die Zahl der gradientschwachen Wetterlagen mit geringer Luftbewegung, speziell im Sommer ist dadurch die Anzahl der Tornadolagen in Mitteleuropa rückläufig, die von unwetterartigen Regenfällen hingegen eher zunehmend.