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Gewitter am Heiligen Morgen

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RGB-Satellitenbild von EUMETSAT am 25.12.2018, 04 Uhr MEZ

So mancher Bewohner am Alpennordrand wurde am Morgen des Heiligen Abends unsanft aus dem Schlaf gerissen. Ich hatte das Fenster offen und reagierte eher geistesgegenwärtig, als ich es draußen klappern hörte und sofort hellwach war. Plötzlich tat es einen Knall, ein greller Blitz und lautes Donnergrollen. Dazu schwere Sturmböen und Starkregen wie bei einem sommerlichen Gewitter. Das Gewitter dauerte etwa zwanzig Minuten, der Sturm war nach wenigen Minuten vorbei.  Gegen Ende mischten sich Schneeflocken zum Regen hinzu. Nach Tief VAIA (29/30.10.18) und Sturmtief FABIENNE (23.9.18) war die Kaltfront von Sturmtief TETE das eindrucksvollste Wettereignis der letzten drei Monate. Entlang der Nordalpen führten die Bäche und kleineren Flüsse aufgrund von Starkregen und Schneeschmelze verbreitet ein 1-5jähriges Hochwasser, zudem kam es zu Murenabgängen (Vorarlberg, Allgäu).

Entwicklung von Tief TETE im Satellitenbild

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Frontensystem von Sturmtief TETE am 24.12.2018, 07 Uhr MEZ

Drei Stunden nach dem Bild aus dem Titel hat die Kaltfront bereits die Nordalpen überquert. Das Besondere an dieser Kaltfront ist, dass präfrontal und postfrontal ein skaliges Regengebiet eingelagert (skalig: überwiegend stratiform, aber konvektiv verstärkte Niederschlagsraten). Daher lässt sich aufgrund des Satellitenbilds nicht gut auf die Position der Kaltfront schließen. Rückseitig taucht hochreichende Bewölkung auch über Tschechien auf, welche zur Okklusion des zu diesem Zeitpunkt noch flachen Tiefdruckgebiets gehört. Die Kaltfront selbst ist in der zweiten Nachthälfte zeitweise über 1200km lang und reicht vom Norden Frankreichs bis nach Niederösterreich.

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Frontensystem um 13 Uhr MEZ

Mittags hat die Kaltfront den Ostalpenraum vollständig überquert, dahinter strömt labil geschichtete Polarluft nach, mit weiteren Schneeregen- und Graupelschauern. Die Okklusion befindet sich nun über dem Osten Ungarns bzw. dem Südwesten der Ukraine. Auffallend ist das gerippte Muster an der Kaltfront bis in den Warmsektor, es deutet die Lage des Jetstreams bzw. dessen linken Ausgang an. Hier bilden sich durch die starke Höhenströmung Schwerewellen aus. Man sieht sie recht häufig zusammen mit Gewitterlinien (so auch bei KYRILL, EMMA und FABIENNE).

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Sturmtief TETE am 25.12.2018, 18 Uhr MEZ

Ein Bild vom 1. Feiertag am Abend. Das Sturmtief besitzt bereits eine eingeringelte Okklusion, die Warmfront ist immer noch sehr ausgeprägt, während die Kaltfront unter reichlich hoher Bewölkung verschwindet. Daran schließt eine deutliche Verwellung an und eine weitere über dem südlichen Mittelmeer, letztere jedoch mit deutlich niedrigeren Wolkenobergrenzen, da schon weit aus dem Höhentrog herauslaufend und damit in Stabilisierung befindlich.

Wetterablauf der Kaltfront im Alpenraum bzw. Süddeutschland

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Um 04 Uhr liegt die extrem schmale, in ein Regengebiet eingebettete Kaltfront über Süddeutschland, wie auch bei der Kaltfront von FABIENNE sind die linienförmigen Radarechos in Verlagerungsrichtung vorgewölbt („Bogenechos“), was auf lokal schwere bis orkanartige Sturmböen schließen lässt.

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Wenige Minuten vor Beginn der Gewitter in Salzburg hat sich die Kaltfront nochmals intensivert. Durch den rapiden Temperaturückgang rückseitig der Front geht der Niederschlag von Regen in Schnee über, was die Ausbildung eines Bright Bands zur Folge hat (Echointensivierung durch schmelzende Schneeflocken, die mit einem dünnen Wasserfilm glasiert sind).

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Windspitzen zwischen 01 und 07 Uhr MEZ

Die 6-stündigen Windspitzen bis 07 Uhr zeigen das Maximum im Chiemgau und Flachgau, mit verbreitet 90-100km/h, am Feuerkogel wurden 156 km/h gemessen.

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3-stündige Druckänderung zwischen 04 und 07 Uhr MEZ

Beeindruckend ist der Druckanstieg mit Kaltfrontdurchgang, um 07 Uhr MEZ bereits verbreite 30er bis 70er Anstiege.

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3-stündige Druckänderung zwischen 05 und 08 Uhr MEZ

Um 8 Uhr kurzzeitig sogar um 10 hPa in 3 Stunden über Chiemgau und Flachgau.

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Taupunkte um 03 Uhr MEZ

Das transportierte Gewitterpotential auf engstem Raum ließ sich auch gut anhand der Bodentaupunkte ablesen. Um 3 Uhr MEZ befindet sich eine Zone mit 9-10°C Taupunkte über der Mitte Süddeutschlands.

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Taupunkte um 04 Uhr MEZ

Unmittelbar vor Beginn der Gewitter am Alpennordrand hat sich die Zone unter leichter Abschwächung (7-9°C) herangeschoben. Davor und danach deutlich niedrigere Taupunkte.

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Taupunkte um 05 Uhr MEZ

Zeitgleich mit den Gewittern weitere Abschwächung auf 6-8°C und Verschärfung des rückseitigen Taupunktsgradienten (2-4°C).

Großwetterlage zum Zeitpunkt des Kaltfrontdurchgangs

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300 hPa Wind, Jetstream und Divergenz um 07 Uhr MEZ (Analyse)

Die Kaltfront befindet sich trogvorderseitig direkt unter einem markanten Jetstreak mit über 110kt in 300 hPa. Genau genommen handelt es sich um zwei Jetstreams, einem über Tschechien und einem schwächeren über Benelux. Die Gewitter traten sowohl im linken Ausgang des schwächeren als auch im rechten Eingang des stärkeren Jetstreams auf, also unter maximalem Hebungsantrieb. (Höhendivergenz = oben fließt viel Masse weg, die aufgrund der Massenerhaltung von unten nachströmen muss ==> starke Aufwärtsbewegung)

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850 hPa Geopotential + Temperatur um 07 Uhr MEZ (Analyse)

Das Tiefdruckgebiet befindet sich bodennah zum Zeitpunkt des Frontdurchgangs über Ungarn/Slowakei, man sieht die Drängung der Isohypsen (Windbeschleunigung) in rund 1400-1500m Höhe.

Modellvorhersagen (Auswahl)

Damit es nicht zu umfangreich wird, hier nur eine Auswahl bestimmter Modellkarten.

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EZMWF-Prognose vom 23.12.,12z-Lauf für 24.12., 05 Uhr MEZ (1-stündiger Niederschlag)

Selbst das Globalmodell EZMWF hat den kleinräumig intensiven Niederschlag an der Kaltfront erfasst, wenn auch zu weit nördlich (zu langsam im Modell).

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Euro4, 23.12., 12z-Lauf für 24.12., 05 Uhr MEZ

Das Britische Lokalmodell ist von der Position her schon besser.

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COSMO-D2, 23.12.-12z-Lauf für Montag, 05 Uhr (1-stündig)

Das deutsche Lokalmodell zeigt ebenso einen linienförmige Verstärkung des Niederschlags mit präfrontal ausgeprägtem Niederschlagsgradienten (von 1-2 auf 5-7mm/h).

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COSMO-D2, 12z-Lauf für Montag, 05 Uhr, 850 hPa Wind (kt)

Der zugehörige Höhenwind in 1500m zeigt präfrontal stürmischen Westwind mit 50-60kt, dann entlang der Linie (grün) eine markante Windabnahme (Niederschlagsabkühlung bodennah so stark, dass Höhenwind entkoppelt wird) und dahinter nochmal auffrischenden Nordwestwind mit 40-50kt. Das entspricht den Beobachtungen (nach den ersten Sturmböen kurzzeitig fast Windstille, dann nochmal stürmisch) und wurde so auch bei der Kaltfront von Orkan KYRILL am 18.Jänner 2007 beobachtet.

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GFS-3-std.-Niederschlag zwischen 04 und 07 MEZ, punktiert = konvektiv

Die gerechneten Niederschlagsmengen von GFS sind bereits ein starkes Warnzeichen für hochreichende Konvektion, gemeinsam mit der Drängung der Isolinien der Nullgradgrenze (starker Temperaturrückgang). Niederschlagsraten von 15-20mm/3 Std. sind nur mit heftigen Regenschauern und Gewittern denkbar.

War die schmale Linienform der Gewitter erkennbar?

Ja! In den hochaufgelösten Wettermodellen von COSMO (2.2km), WRF-Wetterzentrale (5km) und WRF-Kachelmann (1x1km) konnte man die Linie schon in den Prognosen vom Vortag wiederfinden!

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COSMO-12z-Lauf für Montag, 05 Uhr, CAPE (J/kg)

Die Linienform ist deutlich erkennbar und stimmt mit der Position der Kaltfront überein. Die CAPE-Menge ist minimal (10-100 J/kg), aber offenbar ausreichend.

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WRF-Wetterzentrale, 12z-Lauf, für Montag, 05 Uhr MEZ – CAPE (J/kg)

Im GFS-WRF der Wetterzentrale war die Linie sogar noch deutlicher und durchgehender zu sehen, Werte hier von 50 bis 200 J/kg reichend. Immer noch minimal, aber nicht nichts!

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WRF-1x1km 18z-Lauf für 04 Uhr MEZ, simulierte maximale Radarreflektivität

Note 1 mit Sternchen erhält das hochaufgelöste WRF (in GFS genestet) mit einer der Realität sehr nahe kommenden schmalen Gewitterlinie mit hoher Reflektivität.

Die Radiosondenaufstiege von Linz, München, Stuttgart und Kümmerbruck verdeutlichen den Kaltfrontdurchgang anschaulich:

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Radiosondenaufstieg von Linz (links, 04 Uhr MEZ) und München (rechts, 01 Uhr MEZ )

Linz unmittelbar vor Kaltfrontdurchgang, München weiter davor. In beiden fällen hochreichend sehr feucht und stark geschert, im Linzer Fall feuchtneutral in den unteren Luftschichten. PWAT (Gehalt niederschlagbaren Wassers der gesamten Luftsäule) für die Jahreszeit sehr hoch um 22 mm.

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Aufstiege von Stuttgart (oben, 01 und 13 Uhr MEZ) und Kümmersbruck/Ostbayern (01 und 07 Uhr MEZ)

Hohe PWAT-Werte auch bei Stuttgart und Kümmersbruck vor der Front, danach deutlicher Rückgang (morgens 12mm in Kümmersbruck und mittags 7mm in Stuttgart), eingezeichnet (blau) zudem die Nullgradgrenze. Man sieht, wie es in allen Höhen deutlich kälter wird, am deutlichsten unterhalb von ca. 700 hPa zu sehen. In Kümmersbruck ist auch das bodennahe Einströmen der Kaltluft unterhalb 850 hPa gut erkennbar anhand der nach links ausbeulenden Temperaturkurve.

Wenn man sich jetzt die 8-10°C Taupunkte mit den Gewittern bei den Aufstiegen von Linz und München vorstellt, kommt man in etwa auf die gerechneten 50-100 J/kg CAPE und sommerliche Gewitterwolken-Obergrenzen von 7-8km. Durchaus bemerkenswerte Profile für den Frühwinter.

Studie: Bestimmung von kleinräumigen Starkniederschlägen – eine Einordnung

Im ORF Steiermark (abgerufen am 25.08.2018, übrigens Jahrestag des F2-T4-Tornados in Ellmau, Tirol, vor 6 Jahren) erschien vor kurzem das Ergebnis einer Studie zu kleinräumigen Unwetterereignissen, hier speziell Extremniederschläge.

In einer im Fachjournal „Geophysical Research Letters“ erschienenen Arbeit zeigten sie auf, dass kurzzeitige kleinräumige Extremniederschläge von den üblichen Wetterdienst-Messnetzen, deren Stationen rund zehn Kilometer oder mehr voneinander entfernt sind, nur mangelhaft erfasst werden. […]

Um ein wenig Wind aus den Segeln dieser Neuigkeit zu nehmen: Jeder Meteorologe im operationellen Dienst (sprich, in der Wettervorhersage) weiß, dass kleinräumige Extremniederschläge im Zusammenhang mit Schauern oder Gewittern (Voraussetzung für Starkregen) von der gegenwärtigen Messnetzdichte unzureichend erfasst werden. Dazu drei konkrete Beispiele:

Nordwestwetterlage im Winter. Trogrückseite, labile Kaltluft. Bodennah entstehen lokale Windkonvergenzen (etwa durch Westwind im Mostviertel und Nordwestwind im Waldviertel), aus denen sich Schauerstraßen entwickeln. Diese ziehen mitunter über Stunden hinweg über die gleichen Gebieten und bringen lokal signifikanten Neuschneezuwachs. Mangels Messdichte werden sie aber oft nicht erfasst. Eine klassische Schauerstraße verläuft z.b. östlich der Station St. Pölten, südlich von Klausen-Leopoldsdorf und nördlich von Lilienfeld/Tarschberg bw. Hohe Wand, also im Bereich des südlichen Wienerwalds und Gutensteiner Alpen.

Höhentief über Mitteleuropa im Sommer, gradientschwache Lage, hochlabile Warmluft. Verstreut im ganzen Ostalpenraum entstehen im Tagesgang punktuell kräftige Gewitter. Eher zufällig wird die ein oder andere Station im Kern eines solchen Gewitters liegen und vielleicht 10 oder gar 20 Liter pro Quadratmeter innerhalb von 10 Minuten messen. Die meisten Gewitter bleiben aber unbemerkt vom Messnetz, werden sehr wohl aber von den Bewohnern wahrgenommen, deren Keller und Gärten überflutet werden bzw. lokale Muren abgehen.

Straffe Südwestströmung im Sommer, labile Warmluft im Vorfeld einer Kaltfront. Vor Frontpassage entstehen lokal erste Gewitter, punktuell Windspitzen über 90km/h. Auch hier wird eher zufällig einmal eine Windstation vom Gewitter voll getroffen und zeigt 90km/h. Sonst sieht man es erneut nur anhand der Schäden, abgerissene Äste, umgestürzte Bäume, abgedeckte Dächer, aber keine Messstation in der Nähe gibt nur annähernd die nachträglich abgeschätzte Windgeschwindigkeit (nach der Torro-Skala) wieder. Selbst hohe Messwerte sind nicht das Ende der Fahnenstange, wie meine Fallstudie über die Orkanfront in Oberösterreich vom 18. August 2017  gezeigt hat.

„Das hat zur Folge, dass auch Modelle und Prognosen die über kleinen Gebieten zu erwartenden Regenmengen oft stark unterschätzen“, […]

Um hier keine Missverständnisse entstehen zu lassen: Im Original-Artikel ist nicht die Rede von Vorhersagemodellen für Wetterdienste, sondern es geht eher um Abflussmodelle für hydrologische Anwendungen (Hochwasserprognosen). Das Ziel ist also nicht, die räumliche und zeitliche Prognose kleinräumiger Starkniederschläge zu verbessern, sondern stattgefundene Ereignisse besser anhand von Messungen und Interpolationsverfahren zu erfassen.

Unabhängig von Abflussprognosen ließe sich auch die zeitnahe Unwettervorhersage verbessern, wenn ein dichtes Messnetz zur Verfügung stünde.

Ein zu grobes Messnetz hat zwei Nachteile:

  1. lassen sich vorhergesagte Extremwerte im Modell nicht verifizieren, wenn sie zwischen den Messstationen auftreten.
  2. lassen sich aufgetretene Extremwerte zwischen den Messstationen nicht im Modell wiederfinden.

Dass ein dichtes Messnetz auch bessere Prognosen garantiert, zeigt das schon vor über 15 Jahren entwickelte Model Output Statistics-Verfahren, kurz MOS, genannt. Im Gegensatz zum Direct Model Output (DMO), wo der vom Modell berechnete Niederschlag direkt interpretiert wird, wird hier ein statistisches Verfahren angewendet, das das Langzeitgedächtnis eines Wettermodells benutzt. Die Idee dahinter ist, dass das Modell Wetterlagen mit Extremereignissen (= gemessene Werte an Wetterstationen) abspeichert und bei künftigen ähnlichen Wetterlagen Wahrscheinlichkeiten angibt, mit der Extremwerte eintreten können. Bei flächenhaften Niederschlagsereignissen funktioniert das schon zuverlässig, bei kleinräumigen Starkniederschlägen sind die Wahrscheinlichkeitsangaben aus den in der Studie genannten Gründen – oft noch sehr vage und schwierig zu interpretieren. Je dichter das Stationsnetz, desto besser die Prognosen.

Die neu errechneten Abhängigkeiten der Regenintensität von der Messdichte und der Temperatur lassen nun zuverlässiger bestimmen, welche Starkregenmengen tatsächlich in kurzer Zeit in räumlich eng begrenzten Gebieten niedergehen können.

„Den AutorInnen der aktuellen Studie gelang es erstmals, den Grad der Unterschätzung in Abhängigkeit von der Stationsnetzdichte zu berechnen,“ (Quelle)

Das gilt aber auch nur für homogene Gebiete ohne orographische Wetterscheiden bzw. bei geringer Umgebungsströmung, denn bei größeren Hügeln und Bergen verschieben sich die Starkniederschläge je nach Windrichtung auf die windzugewandte Seite. Der Großteil Österreichs ist nun einmal stark zergliedert mit erheblichem Einfluss der Windrichtung.

Fazit: Die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Regionen bleibt begrenzt und schadensträchtige Murenabgänge wie am 23. August 2018 im Glemmtal können mit dieser Methode höchstens unzureichend erfasst werden. Für mich unklar bleibt außerdem, wie damit die Vorhersage verbessert werden soll. Die tatsächlich gefallenen Regenmengen lassen sich ja erst abschätzen, nachdem sie gefallen sind. Die Vorwarnzeit ist damit zu kurz.