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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.

 

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).