Einführung in die Gewitterkunde

7/22/2019 Einfhrung in die Gewitterkunde

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(angelehnt an die Vorlesung WeatherAnalysis von Prof. Jin-Yi Yu an der

University of California atIrvine)

MetteoChannel


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Inhalt

Luftmassengewitter

Mesoskalige konvektive Systeme(MCS & MCC)

Frontale Squall Lines

Superzellengewitter


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Gewitter

Gewitter, auch bekannt als Cumulonimbus-Wolken, sind hohevertikale Wolkentrme, die Blitz und Donner produzieren.

Die meisten Gewitter sind von schwacher/miger Intensitt.

Der amerikanische National Weather Service definiert ein

Gewitter als heftiges Unwetter wenn es Menschen inLebensgefahr bringt oder hohe Sachschden verursacht, wiez.B. durch Grohagel oder Sturmben.

Ein Gewitter gilt als heftiges Unwetter wenn... :

Hagel mit Durchmesser > 2,5 cm; oder ... Windben mit einer Geschwindigkeit > 90 km/h; oder ...

Ein Tornado

... aufgetreten ist/sind!


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4 bentigte Elemente fr heftige Gewitter

Hohe Luftfeuchtigkeit

Hohe latente Instabilitt der Atmosphre

Ein Entstehungsmechanismus fr Aufwinde, wie z.B.Hebungsantrieb an einer Front oder durch Aufsteigen warmer

Luft (Erhitzung der Erdoberflche) Vertikale Windscherung (= abrupte nderung der

Windgeschwindigkeit und/oder der Windrichtung mit derHhe)

am wichtigsten fr die Entwicklungzerstrerischer Gewitter


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Gewitterarten

Luftmassengewitter: einzellige, isolierte Gewitter, die sichohne vertikale Windscherung bilden.

Frontale Squall Lines: einer sehr lang gezogene Gewitterlinie,welche sich entlang von Fronten bildet.

Mesoskalige konvektive Systeme (MCS): entwickeln sich durchunterschiedliche Erwrmung der Luft ber Oberflchen mitverschiedenen Eigenschaften whrend der warmen Jahreszeit,besitzen meist eine Eigendynamik (mesoskalig = horizontaleDimensionen zwischen 2 und 2000 km)

Superzellengewitter: rotierende Gewitterzellen, welche starkevertikale Windscherung bentigen und unwetterartigePhnomene produzieren (zustndig fr die Mehrheit derTornados)


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Luftmassengewitter Gewitter, die sich in einheitlicher Luftmasse bilden, also weit weg

von Wetterfronten (d.h. es erfolgt kein Luftmassenaustausch, auchnoch Wrmegewitter genannt)

Entstehung: Erhitzung der Erdoberflche, orographische Hebung,Kaltluftpool eines anderen Gewitters

Charakteristiken eines solchen Gewitters:

ein einzelner Aufwind < 36 km/h Niederschlagsbereich bis zu 20 km breit

(im Reifestadium) sehr schwache Windscherung (keine

Verschiebung des Wolkenturms mit der Hhe) mige Instabilitt (CAPE < 1000 J/kg)

definierter Lebenszyklus: ca. 1 h einzelne und isolierte konvektive Zelle langsame Verlagerung (fters nahezu

ortsfest)


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Lebenszyklus eines Luftmassengewitters


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Cumulus Stage (Wachstumsstadium)

Wolke besitzt nur einenAufwindbereich

Wolke besteht in erster Linieaus kleinen flssigen

Wolkentrpfchen mitwenigen Regentropfen oderEiskristallen

Eiskristalle bilden sich erst

wenn die Wolke einenTemperaturbereich von -10Cbis -20C erreicht hat


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Mature Stage (Reifestadium)

Wolke wchst weiter bis zurTropopause

Starke Stabilitt der Stratosphrehemmt die konvektive Entwicklungsehr schnell

Es kommt zu einem vorstoendenWolkengipfel (overshooting top)wenn sehr krftige Aufwrtsstrmevorhanden sind (lokaler Durchbruchder Tropopause)

Gewitter besitzt nun einen Aufwind-(updraft) und Abwindbereich

(downdraft) Downdraft wird durch den

Niederschlag verursacht undEntstehung eines Kaltluftpools (wegenVerdunstung des Niederschlags)


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Dissipation Stage (Auflsungsstadium)

Downdraft dominiert den Updraft,d.h. keine Energiezufuhr mehr!

Bildung eines symmetrischenEisschirms (anvil).

Gewitterzelle regnet sich aus,Kaltlufteinbruch am Boden.

Die Wolke lst sich auf. Dervereiste Wolkenschirm(Cirrostratus cumulonimbogenitus)kann aber noch ber lngere Zeitbestehen bleiben.


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Mglichkeit neuer Gewitterbildung...

... durch einen ausgedehntenKaltluftpool unterhalb der

aktiven Gewitterwolkemglicher Hebungsantrieban der Front bzw. an der

vorderen Grenze diesesKaltluftpools!


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Was ist ein MCS und ein MCC ?

MCS: Mesoscale Convective Systemein mesoskaligesWetterereignis mit konvektiven Wetterelementen.

MCC: Mesoscale Convective Complex --- sehr streng definiert!

Wolkenobergrenzetemperatur < -32C ber eine Flche > 100.000 km

(Radius = 180 km); UND

Wolkenobergrenzetemperatur < -52C ber eine Flche > 50.000 km(Radius = 125 km)

Beide Flchen mssen mindestens 6 Stunden lang wetteraktiv sein!

Exzentrizitt > 0,7 bei maximaler Ausdehnung


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Entwicklung eines MCS

A+B: ChaotischorganisierteGewitterzellen

C+D: mehrerekrftige

Gewitterzellenorganisieren sichzu einermehrzelligenGewitterlinie

E: Segmente derGewitterlinie

formieren sich zueinem Bogen (bow

echo)

F: Bildung einerrckseitigen,stratiformenNiederschlagsregion

G+H: stratiformeRegion vergrertsich, Gewitterlinieschwcht sich ab


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Bedeutung eines Bow Echo Bogenfrmige

Ausdehnung desNiederschlaggebietes(bis maximal 200 km)abhngig von derWindscherung in den

unteren Schichten derAtmosphre (an derVorderseite derGewitterlinie)

fters Wirbelbildung an der ueren Grenze (bookend vortex), kann zuschwachen Tornados fhrenRear Inflow Jet: sehr starker jetartiger Wind, der in der mittleren Troposphreber dem Kltepool zur Vorderseite der Gewitterlinie hin weht, verursacht durchhydrostatisches Tief im Aufstiegsbereich der Wolke oberhalb des Kltepools durch

starke adiabatische Erwrmung der Luft.


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Front-to-Rear Flow

ber dem Rear Inflow Jet (blaue Pfeile) strmt die Luftaufwrts, auch Front-to-Rear Flow genannt (rote Pfeile).

Da sich der Kaltluftpool weiter ausdehnt und vertieft, bekommtder Front-to-Rear Floweine grere Neigung.

Somit dehnt sich die Wolke auf der Rckseite immer weiter ausund die groflchige, stratiforme Niederschlagregion bildet sich.


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Hauptmerkmale eines reifen MCS

Heftiger Niederschlag: unterhalb der konvektiven Region, westlich vom

Updraft.

Schwacher bis miger Niederschlag: unterhalb der stratiformen Wolkenregion(langsamer Updraft) und unterhalb des Eisschirms vor der konvektiven Region.


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Merkmale eines MCC

Klimatologie basiert auf Satellitendaten.

Verantwortlich fr signifikante Regenmengen und heftigeberschwemmungen.

Auch bekannt fr zerstrerische Winde und hoheBlitzfrequenzen, kann auch Tornados/Grohagel produzieren.

1 von 4 MCCs provoziert Verletzte und Tote.

Verlagerung meist mit den Windstrmungen zwischen 700hPa und 500 hPa


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Beispiel eines MCC (Infrarot-Satbild)


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Beispiel eines MCC (Radarbild)


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Stratiformer und konvektiverNiederschlag


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Weitere Merkmale

hnliche Entwicklungsphasen wie bei einem MCS.

Maximale Gre zwischen Mitternacht und 04h00.

Aktivitt kann bis in die Morgenstunden andauern!

Ein Albtraum fr die Wettervorhersage/Wettermodelle: Start der konvektiven Entwicklung sowie die weitere Verlagerung des

Systems/Komplexes sind sehr schwer vorherzusagen (bedingt durchdie mgliche Entwicklung einer signifikanten Eigendynamik)

Rauben der Atmosphre sehr viel Energie und durchmischen die

atmosphrischen Schichten sehr stark Durch den meistens breiten Wolkenschirm kann eine Beeinflussung

der Erhitzung der Erdoberflche in den umgebenden Regionenerfolgen Hemmung der nachfolgenden vorhergesagten, konvektivenWetterentwicklung durch mangelnde latente Instabilitt


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Globale Verteilung

In Europa recht selten!


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Was passiert wirklich in einem MCC?


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Mesoscale Convective Vortex (MCV)

Manchmal kann es dazu kommen, dass die groe Menge anlatenter Wrme im mesoskaligen Updraft des MCC zu einemlokalisierten Tiefdruckzentrum fhren kann.

Der ganze MCC beginnt zu rotieren und kann hnlicheStrukturen eines Tiefdruckgebietes aufweisen.

Die Intensitt des Komplexes nimmt in der Regel nicht zu!

In seltenen Fllen, kann sich ein MCC in Richtung offenesGewsser (Ozean) verlagern und sich zu einer tropischenZyklone entwickeln.


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Beispiel eines MCV (Radarbild)


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Mehrzellige Gewitter

Organisierter Cluster bestehend aus einzelligen Gewittern.

Updraft und Downdraft provozieren die Bildung einerBenfront (gust front).

Meistens verursacht durch konvergente Windstrmungen inBodennhe (prfrontale Konvergenzlinie)

Verlagerung der einzelnen Zellen in der Regel in eine andereRichtung als der gesamte Cluster.

Knnen Hagel, Starkregen und manchmal auch schwacheTornados produzieren!


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Vertikale Windscherung

nderung/Differenz der Windgeschwindigkeitund/oder Windrichtung in den untersten 6 kmder Troposphre (fr die Einschtzung des

Tornadorisikos ist nur der unterste 1 km vonInteresse!)

Organisiert die konvektive Entwicklung:

Trgt zur Bildung einer Benfront bei

provoziertneue Zellenbildungen

Interagiert mit dem Updraft um diesen zu stabilisieren


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Frontale Squall Lines Frontale Squall Lines

entwickeln sich in der Regelin einer feucht-warmenLuftmasse vor einerKaltfront (fters auch aneiner prfrontalen

Konvergenzlinie).

Squall Lines sind meistens Hunderte von Kilometer lang.Auf dem Satellitenbild erkennt man Squall Lines als Auslufer(tail) der eigentlichen auertropischen Zyklone.


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Typsiche Wetterlage fr Squall Lines

(A): Bodennahe Sdstrmung transportiert feucht-warme Luftmassen in denWarmsektor vor die Kaltfront. Hebungsantrieb der Front ermglicht die Bildungeiner Gewitterlinie!

(B): In der oberen Troposphre befindet sich westlich der Squall Line einRckseitentrog. stlich dieser Linie herrschen Sd-/Sdwestwinde in

Bodennhe, wetslich davon eher Westwinde!


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Hauptmerkmale einer reifen Squall Line

Kaltluft schiebt sich unter die Warmluft Hebungsantrieb! Entwicklung intensiver, konvektiver Bewlkung.

Stratosphre (bzw. Tropopause) gilt als Grenze der Konvektion.

Trocken-kalte Luft nhert sich der Gewitterlinie aus Westen

hinter der Front!

Kl i h S ll itt


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Klassische Superzellengewitter

Superzellen sind die strksten und heftigsten Gewitter in derErdatmosphre!

Superzellengewitter rotieren immer!

Sie sind zustndig fr die Mehrheit der Tornados, fr

zerstrerische Windben und fr den meisten Grohagel!


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4 wichtige Zutaten fr Superzellen

Umgebung mit hoher latenter Instabilitt (CAPE > 1500 J/kg),feucht-warme Luftmassen in Bodennhe und trocken-kalteLuft in der Hhe.

Sehr hohe Luftfeuchtigkeit in der unteren Troposphre.

Mige bis starke vertikale Windscherung in den instabilenSchichten der Atmosphre.

Hebungsmechanismus.

Typischer Radiosondenaufstieg in einer


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Typischer Radiosondenaufstieg in einerSuperzellenumgebung

Feucht-warme Luft in derunteren Troposphre, trocken-kalte Luft in der mittlerenTroposphre.

Beide Luftmassen sind getrenntdurch eine Inversion (Deckel

auf der Atmosphre) loadedgun-Effekt!

Durchbricht ein Luftpaket dieInversion kommt es zu heftigenAufwinden in RichtungTropopause explosionsartigekonvektive Entwicklung(Updraft bentigt dafr diebodennahe feucht-warmeLuft)!

Vertikale Windscherung innerhalb derinstabilsten Schicht: Zunahme derWindgeschwindigkeit und/oder nderung der

Windrichtung mit der Hhe (v > 25 m/s)


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Entstehungsmechanismen fr Superzellen

(A): Feucht-warme Luft vor der dry line (= Grenze zur trocken-warmen Luft) undsdlich der Warmfront, Hebung in beiden Regionen mglich.

(B): Kaltfront nhert sich einer durch nchtliche Gewitter beeinflusste Wetterzone.Hebungsantrieb entlang dieser Zone und der Front.

(C): Hebung kann auch bei der Interaktion zwischen einer Hhenkaltfront und einer

Warmfront erfolgen!


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Superzellen-Linie in Kansas/Nebraska (USA)

Sobald die erste Superzelle entstanden ist, werden durch dessenKaltluftausste mittels der Benfront neue Superzellenbildungenprovoziert.

Diese Neubildungen treten meist in einer Linie auf (vergleichbar mit einerKettenreaktion).


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Vertikaler Querschnitt einer Superzelle


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Mesozyklone

Der rotierende Updraft, auch noch Mesozyklone genannt, ist auf der

sdwestlichen Seite des Gewitters positioniert und neigt sich mitzunehmener Hhe in eine nordstliche Richtung.

5 bis 10 km breit.

Basis der Mesozyklone ist niederschlagsfrei, da die Nierschlagspartikeldurch den krftigen Updraft davongetragen wird!


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Wall Cloud & Tornado

Lokal sehr tiefe Wolken, auch noch Wolkenmauer (wall cloud) genannt,

die unterhalb der niederschlagsfreien Wolkenbasis auftreten und fterssehr stark rotieren, so dass es fr den Beobachter gut sichtbar ist.

Wenn sich ein Tornado bildet, dann in den meisten Fllen anhand einerwall cloud !

Ni d hl


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Niederschlag

Sdwestlich der Superzelle befindet sich fters die sogenannte rear flanking

line, also eine Linie mit Konvektionszellen.

Sehr starker Niederschlag, inklusive Grohagel, erreichen den Erdboden direktneben der niederschlagsfreien Basis der Superzelle.

Weiter nordstlich nimmt die Niederschlagsintensitt kontinuierlich ab.


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Beispiel Superzelle (Radarbild)


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3D Sicht einer Superzelle / Dynamik

A

B

C

D

(A)


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(A): Anfangs strmt der Inflow aus allen Richtungen zum Updraft-Zentrum.

Relativ schnelle Bildung der ersten Niederschlagsregion im nrdlichen, nordstlichenund stlichen Teil der Gewitterzelle (Hydrometeore werden durch krftige Winde in denmittleren und hohen Schichten der Atmosphre aus dem Updraft herausgerissen)

Bildung des Downdrafts durch Verdnstungskhlung!

Der erste Downdraft wirdforward flank downdraft (FFD) genannt.

Die Kaltluft des FFD erreicht den Erdboden und breitet sich radial aus, was zur einerBenfront fhrt (Kaltfrontsymbole).

Winde der mittleren Atmosphre nhern sich dem Gewitter aus sdwestlicher Richtungund treffen auf den Updraft, Hydrometeore auf der Rckseite der Zelle vermischen sich

mit trockener Luft und vedunsten Luft khlt sich ab und sinkt zum Erdboden, d.h. esbildet sich der rear flank downdraft (RFD).

(B): Reifestadium des FFD und RFD.

(C): Reifes Superzellengewitter mit einem stark rotierenden Updraft undeinem Tornado (rot), positioniert zwischen dem Updraft und dem RFD.

(D): Auflsende Superzelleder RFD umschliet den Updraft undverhindert somit die weitere Zufuhr von feucht-warmer Luft. NeuerUpdraft bildet sich sdstlich vom alten Updraft.


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Horizontaler Querschnitt einer Superzelle

Scherung ist eine Form von Wirbelstrke


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Scherung ist eine Form von Wirbelstrkeum eine horizontale Achse

Luft konserviert die Vortizitt(Wirbelstrke).Updraft hebt die vorhandeneVortizitt in eine vertikale

Richtung.In Superzellengewitternverursacht eine zyklonale Rotationauf der rechten Seite des Updraftstiefen Druck und somit verstrktsich der Inflow.Basis der Tornadogenese!


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Superzellen und Tornados

Die meisten F2- bis F5-Tornados entstehen whrendSuperzellengewittern.

Rotierender Updraft bildet

eine Mesozyklone. Updraft hebt die horizontale

Rotation zu einer vertikalenRotation an (Windscherung!).

Entwicklung einer

antizyklonalen und zyklonalenRotation auf den beidenFlanken des Updrafts!

S ll Mitt lb it Z kl


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Superzellen vs. Mittelbreiten-Zyklone

RFD und FFD besitzen hnliche Charakteristiken wie Warm-/Kaltfronten.

RFD verlagert sich schneller, so dass die Superzelle nach einer gewissenZeit okkludiert.

Tornadogenese erfolgt meistens wenn der RFD den FFD erreicht hat(Dehnung des Wirbels).


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Lebenszyklus einer Superzelle

Nachdem die Superzelleokkludiert hat, trennt sich derRFD vom Updraft und dasGewitter beginnt sichaufzulsen.

Ein neuer Updraft bildet sichvor dem alten Updraft und derProzess wird wiederholt.

Dieser Zyklus tritt ungefhr

jede 30 Minuten auf, manspricht dann von einerzyklischen Superzelle!


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Camille Seaman


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Weitere wichtige Grundlagen fr dasVerstndnis dieser Einfhrung in die

Gewitterkunde finden Sie hier:http://metteochannel.blogspot.de/p/definitionen.html

by Metteo hannel
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