Die Meteorologie

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Untersuchung: Verbreitung von Superzellen in Sachsen

In zweijähriger Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit Jan-Philipp Wulfkühler die Besondere Lernleistung (als Teil der gymnasialen Oberstufen in Sachsen) "Primäre Entstehungsorte von Superzellen und Gründe hierfür im sächsischen Raum".
Ganz besonders möchten wir hierbei Herrn Michel Oelschlägel von www.frontgewitter.de sowie Herrn Thomas Schartner von der Freien Universität Berlin für ihre Unterstützung danken.

Im Folgenden finden Sie eine Zusammenfassung der wichtigsten Fragestellungen dieser Ausarbeitung.

Die gesamte Arbeit können Sie hier abrufen.



Die vier zentralen Fragen der Untersuchung:

1. Wo treten Superzellen in Sachsen auf?

Die folgende Abbildung macht einen Fakt, welcher bereits vor unserer Untersuchung in Fachkreisen bekannt gewesen ist, deutlich - Superzellen häufen sich insbesondere im Westerzgebirge. Doch welche Ursachen sind hierfür auszumachen? Gibt es bestimmte Wetterlagen, welche die Bildung von Superzellen im Westerzgebirge begünstigen?
Mit diesen Hauptfragen beschäftigt sich unsere Analyse.




2. Welche groß- und kleinräumigen Wetterlagen herrschen bei Superzellenereignissen im Westerzgebirge vor?

Um diese Frage zu klären, wurden insgesamt zehn Fallbeispiele untersucht, wovon die meisten Superzellen im Westerzgebirge auftraten. Die Analyse beschäftigt sich dabei jeweils mit der groß- und der kleinräumigen Wetterlage.
Die Ergebnisse der Untersuchung sind recht deutlich ausgefallen bezüglich einer ganz bestimmten Wetterlage. Bei Superzellen im Westerzgebirge liegt knapp südlich im Böhmischen Becken ein Bodentiefdruckgebiet, welches für die notwendige Windscherung und die nötige Hebung sorgt.
Dies lässt sich insbesondere an den folgenden Bodendruckkarten der Fallbeispiele zeigen:


Quelle: www.wetter3.de

Demzufolge zeigt diese Zusammenstellung noch einmal sehr deutlich, dass anscheinend für die Bildung einer kräftigen Superzelle im Westerzgebirge ein Bodentiefdruckgebiet über Nordwest-Tschechien unabdingbar ist. Es stellen sich aus diesem Grund mehrere Fragen. Zum einen, ob und wie die Topografie die Entstehung von Superzellen in diesem Gebiet begünstigt und eng damit im Zusammenhang stehend, weshalb sich dieses Bodentiefdruckgebiet an immer dieser Stelle einfindet. Diese Fragestellungen sollen thesenartig in den folgenden Abschnitten untersucht werden.
Des Weiteren geht ebenso aus der Untersuchung hervor, dass zum einen Superzellen ganz besonders häufig im Westerzgebirge entstehen, aber zum anderen auch, dass dies keinen Einfluss auf die Intensitätsverteilung hat. Dies meint, dass Superzellen außerhalb des Westerzgebirges in anderen Teilen Sachsens bei einer abweichenden Wetterlage keinesfalls schwächer ausfallen.


Wie bildet sich diese spezielle Wetterlage aus?

Wie die Untersuchung bereits gezeigt hat, bildet sich das Bodentiefdruckgebiet an einem sehr speziellen Ort. Die Ursache hierfür kann demzufolge nur in der Topografie begründet sein, sowie in der entsprechenden Großwetterlage.
Um sich der Lösung dieses Problems zu nähern, ist es nötig, sich zuerst mit der Großwetterlage zu beschäftigen. So geht aus der Analyse ebenfalls hervor, dass sich jeweils ein steuerndes Tiefdruckgebiet nördlich von Deutschland befindet. In dessen Einflussbereich hat bei allen untersuchten Lagen die Warmfront dieses Tiefdruckgebiets bereits Deutschland überquert, sodass große Teile des Landes und damit auch Sachsen im Warmluftsektor liegen. Unterdessen näherte sich jeweils die Kaltfront aus nordwestlicher Richtung.
Es stellt sich in diesem Zusammenhang die Frage, weshalb es anschließend in manchen Fällen zur Bildung des Bodentiefdruckgebiets in Tschechien kommt.

Allgemein ist bekannt, dass Gebirgsmassive, welche dem Weg einer Luftmasse behindern, häufig dazu führen, dass sich so genannte Lee-Tiefdruckgebiete bilden. Die Ursache liegt in der potentiellen und absoluten Vorticity. Allgemein bezeichnet der Begriff Vorticity die Wirbelhaftigkeit 1 . Sie ist ein Maß für die horizontale Rotation einer Luftmasse um eine vertikale Achse. So besitzen Tief- und Hochdruckgebiete eine bestimmte Wirbelgröße bzw. Vorticity, welche im oder gegen den Uhrzeigersinn gerichtet ist.
Es wird demnach deutlich, dass es sich hierbei um einen recht komplizierten Sachverhalt handelt. Aus diesem Grund soll dieser an der Stelle nur in einfacher Form skizziert werden, um die Übersichtlichkeit zu wahren.

Um diese Sachverhalt verständlicher zu gestalten, ist folgende Formel zu betrachten:

2

Die Gleichung beinhaltet die Elemente der potentiellen Vorticity und der Höhendifferenz, welche multipliziert die absolute, also die wirklich vorhandene Vorticity ergeben. Die Höhendifferenz beschreibt dabei den vertikalen Abstand zweier Isentropenflächen, dies sind Flächen gleicher potentieller Temperatur.
Mithilfe dieser Erklärung lässt sich wiederum die Leetiefbildung skizzieren. Dazu soll folgende Abbildung behilflich sein:



Sie zeigt, wie sich die Luftmassen bzw. Flächen mit gleicher potentieller Temperatur verhalten. Durch das sich der Luftmasse entgegenstellende Gebirge wird entsprechend die Luft gestaucht, sodass die Höhendifferenz dz abnimmt. Aus der Formel wird deutlich, dass somit, unter der Annahme, dass die potentielle Vorticity konstant bleibt, die absolute Vorticity ebenfalls abnimmt. Die Folge ist, dass sich durch die Stauchung der Luftmasse ein Hochdruckgebiet im Luv-Bereich bildet. Im Lee-Bereich nimmt hingegen die Höhendifferenz dz zu, sodass in der Folge auch die absolute Wirbelhaftigkeit zunimmt. So wird der Radius des Zylinders entsprechend enger, während das Volumen des Zylinders, also die Luftmasse, konstant bleibt. Die Folge ist die Bildung eines Tiefdruckgebiets. So nimmt der Druck durch die Streckung der Luftmasse ab, zum anderen kommt es durch die vergrößerte Vorticity zur Vertiefung des Tiefdruckgebiets und damit zu einem gesteigerten Drehimpuls.

Sehr wahrscheinlich ist, dass die spezielle Lage des Tiefs exakt mit der obigen Theorie der Lee-Tiefdruckgebiete-Bildung zusammen hängt.
So wurde anhand der Fallbeispiele deutlich, dass sich jeweils ein steuerndes Tiefdruckgebiet nördlich von Deutschland befindet, welches mit seinem Frontensystem Deutschland beeinflusst. So wurde ebenfalls anhand der Beispiele deutlich, dass sich Sachsen jeweils im Warmluftsektor befand, im welchem warme Luftmassen aus Süden bzw. vom Mittelmeerraum nach Norden geführt werden.
Folgende Karte zeigt hierzu die Topografie Tschechiens und die meist vorherrschende Windrichtung:



Demzufolge wird deutlich, dass die Bedingungen für die Bildung eines Lee-Tiefdruckgebiets bei derartigen Wetterlagen sehr gut sind.
Dies stellt jedoch lediglich eine Theorie dar, welche anhand der Fallbeispiele gestützt werden muss. Um diese zu prüfen, lohnt es sich die Windverteilung am Boden vor der Bodentiefdruckgebiets-Bildung zu untersuchen. Entsprechende Karten befinden sich dazu im Anhang der Untersuchung.
Werden diese Windkarten betrachtet, so wird deutlich, dass die Theorie zwar im Großen und Ganzen zu bestätigen ist, doch auch, dass sich der Sachverhalt oftmals sehr viel komplexer darstellt.
Für die Superzellenlagen vom 29.05.2005 und 27.05.2007 passt die oben beschriebene Darstellung recht gut. So kommt es im Verlaufe des jeweiligen Tages zur Tiefdruckbildung im Nordwesten Tschechiens.
Die anderen Ereignisse zeigen jedoch ein etwas anderes Bild. So befindet sich zwar das betreffende Bodentiefdruckgebiet ebenfalls an dieser speziellen Stelle zu dem Zeitpunkt, als die entsprechende Superzelle auftrat. Jedoch zeigt sich, dass das Tiefdruckgebiet nicht an dieser Stelle entstand, sondern sich im Verlauf dort hinbewegte. Stattdessen kommt es häufig zur Bildung des Bodentiefdruckgebiets im nördlichen Raum Baden-Württembergs oder Bayerns. Der Grund für die Bildung des Tiefs dürfte jedoch ebenfalls an den beschriebenen Lee-Bedingungen liegen. In diesem speziellen Fällen dürften darauf besonders die Alpen und die Schwäbische sowie die Fränkische Alb eine entsprechende Wirkung erzielen. So zeigen die entsprechenden Windkarten, wie zu erwarten war, eine starke südliche Strömung, welche die Luftmassen über die Alpen nach Norden führt. Während am Boden diese südliche Strömung vorherrscht, ist es in der Höhe der Westwind bedingt durch das steuernde Tiefdruckgebiet, sodass sich das Bodentiefdruckgebiet mit der Hauptströmung anschließend weiter in Richtung Tschechien bewegt, sodass wiederum die für Superzellen passenden Scherungsbedingungen in Sachsen herrschen.



Ein weiterer noch nicht genannter Aspekt, welcher für die Bildung eines solchen Tiefs zuträglich ist, sind die passenden Wetterbedingungen im Warmluftsektor. So ist die Sonneneinstrahlung in diesem Bereich sehr hoch, sodass sich beispielsweise auch das Böhmische Becken stark erwärmen kann, weshalb dort große Energiereserven lagern. Da diese Luft sehr warm ist, wird sie auch verstärkt zum Aufsteigen gezwungen. Dies wiederum hat zur Folge, dass am Boden der Druck fällt, da die Luftteilchen bzw. -moleküle in die Höhe steigen, sodass dieser Vorgang ebenfalls die Bildung eines Bodentiefdruckgebiets unterstützt.

Zusammenfassend lässt sich demnach feststellen, dass bedingt durch die Lage des steuernden Tiefdruckgebiets nördlich von Deutschland eine südliche Strömung innerhalb des Warmluftsektors auftritt.
Die Theorie der potentiellen Vorticity hat hierbei gezeigt, dass die Bedingungen für die Bildung eines Lee-Tiefdruckgebiets in den nördlichen Bereichen Baden-Württembergs und Bayern, sowie im nördlichen Böhmischen Becken sehr gut sind, da diese Gebiete im Lee der Alpen, sowie anderer kleinerer Gebirge, wie die Alb oder dem Bayrischen und Böhmischen Wald liegen.
Des Weiteren führen die sonnigen Wetterbedingungen innerhalb des Warmluftsektors zu einem Aufstieg der warmen Luftmassen und damit zur Bildung eines Bodentiefs.
Demzufolge ist insbesondere die Topografie in Verbindung mit der Lage des steuernden Tiefdruckgebietes für die Bildung bzw. das Vorüberziehen des entsprechenden Bodentiefdruckgebietes im Nordwesten Tschechiens verantwortlich.


Wie wirkt sich das Bodentiefdruckgebiet auf das Westerzgebirge aus?

Um den Einfluss des Bodentiefs über dem Westen Tschechiens auf das Westerzgebirge untersuchen zu können, muss zunächst die allgemeine klimatische Lage betrachtet werden.
Das Westerzgebirge und das Vogtland, die beide auf dem mitteldeutschen Rücken liegen, gehören, wie auch der Rest des Erzgebirges und das Zittauer Gebirge, in die Zone des Deutschen Mittelgebirgsklimas.
Das bedeutet für diese Region eine geringfügig niedrigere Jahresdurchschnittstemperatur im Vergleich zu niederen Lagen wie Dresden. Im Vogtland liegt diese zwischen 7 bis 8 °C und geht in den höheren lagen des Erzgebirges auf bis zu 6 °C zurück. 3
Die vorherrschenden Südwest- bis Westlagen sorgen im Raum um das Vogtland und im Westerzgebirge für Stauniederschläge, sodass hier die Gesamtmenge des jährlichen Niederschlags höher ist als in den weiter östlich gelegenen Regionen, die orografisch bedingt durch das Westerzgebirge abgeschattet werden. Während im Vogtland der jährliche Gesamtniederschlag bei bis zu 1.300 Liter pro Quadratmeter liegt, ist er im Osterzgebirge um 100 bis 200 l/m² geringer 4 .

Nord- bzw. Nordwestanströmungen, wie sie an Tagen mit Superzellen im Westerzgebirge vorherrschen, sind sehr viel weniger häufig. Die Abschattungseffekte kehren sich um und treten am Nordrand des Erzgebirges und des Vogtlands auf.
Bodentiefs über Tschechien sorgen dafür, dass warme Luftmassen aus dem Süden herangeführt werden. Diese umziehen das Tief gegen den Uhrzeigersinn und dringen meist zwischen dem Erzgebirge und dem Lausitzer Gebirge in den sächsischen Raum ein. Dabei haben sie meist schon einen sehr ausgeprägten Westkurs.
Auch über das Erzgebirge ziehen Winde in Richtung Nordwesten. Zusammen mit Winden aus Brandenburg, die auf das Tief über Tschechien zusteuern, entsteht am Nordrand des Erzgebirges eine Konvergenzlinie. Sie bildet sich an den Stellen, wo Winde aus dem Norden und dem Süden aufeinander treffen. Die folgende Abbildung verdeutlicht den Zusammenhang:



Die Winde der Konvergenzlinie ziehen einen Bogerreichen die warmen Luftmassen das Südwesterzgebirge.
Oftmals kommt es hier erneut zu konvergent verlaufenden Winden, da Luftmassen aus dem südlichen bis westlichen Richtungen gegen das Südwesterzgebirge laufen. Bei ihnen handelt es sich um vom Bodentief angesaugte Luftmassen aus Westen. In einigen Fällen ist es möglich, dass sich so die ein großer Teil der warmen Luft aus der Umgebung in dieser Region konzentriert und deshalb zur Konvektion gezwungen wird.
Die leichte Kesselstruktur des Vogtlands verstärkt diesen Effekt. Mit seiner Öffnung in Richtung Nordosten kann warme Luft leicht nachrücken, gleichzeitig können die Luftmassen das Gebiet schwerer verlassen. Insgesamt ist dieser topografische Einfluss jedoch nur sekundär.
Durch das Bodentief über Tschechien gelangt also warme und feuchte Luft in das Südwesterzgebirge. Durch konvergente Winde wird die Luft zum Aufstieg gezwungen. Während am Boden Winde aus östlicher Richtung kommen, herrscht in der Höhe für gewöhnlich Westwind vor, sodass auch die Bedingung der Windscherung gegeben ist und folglich alle Zutaten für eine Superzelle vorhanden sind.


Fazit

In der durchgeführten Untersuchung konnten wir unsere aufgestellten Thesen weitgehend bestätigen, sodass sich eine Reihe von Analyseergebnissen festhalten lassen können.
Zuerst konnte bestätigt werden, dass das Westerzgebirge eindeutig zum Schwerpunkt der Superzellenverbreitung gehört, sofern dazu die Datengrundlage von 2001 bis 2010 betrachtet wird.
Die These, dass Superzellenfälle im Westerzgebirge mit einer speziellen Wetterlage zusammenhängen, konnte ebenfalls belegt werden. So stellte sich heraus, dass Mesozyklone in diesem Bereich von einem Bodentiefdruckgebiet über Nordwesttschechien abhängig sind. Dieses sorgt für eine für die Superzellenentstehung nötige ausgeprägte Windscherung, da am Boden meist südöstlich bis nordöstliche Winde herrschen, während die Windrichtung in den oberen Schichten durch ein steuerndes Tiefdruckgebiet nord- bis nordwestlich von Deutschland bestimmt wird, sodass dieser in der Höhe auf westliche Richtungen dreht.
Bei Superzellen, welche außerhalb des Westerzgebirges entstanden, handelte es sich hingegen in allen Fällen um eine völlig andere Wetterlage.
Hieraus wiederum geht die Fragestellung hervor, weshalb dieses Bodentief immer wieder in diesem Gebiet (Nordwesttschechien) auftritt. Auch diese Frage konnte beantwortet werden. So sorgt das steuernde Tiefdruckgebiet nordwestlich von Deutschland, was in fast allen Fällen vorhanden ist, mit seinem Warmluftsektor südlich von Deutschland für südliche bis südwestliche Winde. Hieraus geht hervor, dass die warmen Luftmassen Gebirge, wie die Alpen oder den Bayerischen Wald überströmen. Dabei kommt es zu einem physikalisch mit der Vorticity zu begründenden Effekt, welcher die Bildung eines Leetiefdruckgebiets nach sich zieht. Daher entwickelt sich entsprechend nördlich der Alpen bzw. meist auch etwas nördlich der Fränkischen und Schwäbischen Alb ein solchen Leetiefdruckgebiet, was zugleich das besagte Bodentiefdruckgebiet darstellt. Dieses bewegt sich im Anschluss durch die in der Höhe vorherrschende westliche Strömung weiter nach Nordwesttschechien, wo es zu den oben genannten Bedingungen der Windscherung führt.
In diesem Zusammenhang ist das Westerzgebirge für die Superzellenbildung besonders prädestiniert, da es durch die spezielle Lage neben der Windscherung auch zu der Ausbildung einer Konvergenz knapp nördlich des Erzgebirgskamms kommt. Diese Konvergenz ist im Westerzgebirge durch den Gebirgsverlauf und die Lage des Bodentiefdruckgebiets besonders ausgeprägt.
Somit konnte diese Besondere Lernleistung erfolgreich mit verifizierten und gesicherten Ergebnissen abgeschlossen werden.
Nichtsdestotrotz ergaben sich im Laufe ihrer Entstehung eine Vielzahl von Fragen, die nicht immer geklärt werden konnten. Zum einen, weil sie den Umfang unverhältnismäßig vergrößert hätten oder weil sie nur entfernt mit dem Thema in Verbindung standen.
An dieser Stelle ist insbesondere die Frage zu nennen, wie häufig die spezielle Lage mit dem Bodentief über dem Westen Tschechiens auftritt. Ein Vergleich der absoluten Zahl mit der Anzahl von Superzellen mit dem Ursprung im Westerzgebirge würde Rückschlüsse auf die Vorhersehbarkeit von Superzellenereignissen in diesem Gebiet zulassen.
Das Thema der Arbeit ließe sich auch auf andere Gebiete übertragen, vor allem auf Brandenburg und Bayern, da diese mit den Bedingungen in Sachsen häufig im Zusammenhang stehen.
Natürlich kann die Arbeit mit der Zeit beständig erweitert werden, denn ein Schwachpunkt dieser Untersuchung stellt der Mangel an Daten über einen längeren Zeitraum dar. Normalerweise bilden Beobachtungen über eine Zeitspanne von mindestens dreißig Jahren die Grundlage für meteorologische Untersuchungen.
Eine praktische Anwendung der Ergebnisse wäre im Bereich der Versicherungen möglich. Große Unternehmen sind insbesondere im Bereich der Hagelversicherung immer auf der Suche nach verlässlichen Statistiken und deren Auswertung.
Aus den Ergebnissen dieser Arbeit ergibt sich auch ein besseres Bild für die Risiken bezüglich der Infrastruktur im Erzgebirge. Eventuell lassen sich notwendige Bau- und Sicherheitsmaßnahmen für diese Region ableiten.
Letztlich ergeben sich so auch eine Reihe von praktischen Anwendungen dieser Untersuchung, sodass diese nicht nur von den reinen Ergebnissen her gesehen als erfolgreich betrachtet werden kann.



Direkte Quellen:
1 URL:
Emeis (2000), S.73-75

2 URL:
http://www.wetteran.de/knowledge/was_ist_vorticity.htm [Abrufdatum: 06.10.2010]

3 URL:
Goldberg, Valerie; Franke, Johannes; Bernhofer, Christian: Das Klima von Sachsen. S. 2

4 URL:
ebd. S. 4

Weitere Quellen:
Die gesamte Quellenangabe befindet sich am Ende der Untersuchung unter folgendem Link.

Letzte Aktualisierung: 25.06.2011 18:17:00
© Josef Kaiser, Jan-Philipp Wulfkühler
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