Unwetterartige Gewitter am 06. Juli 2014

Hinweis: Im Rahmen eines Praktikums beim luxemburgischen Wetterdienst MeteoLux wurde ein weiterer Artikel über dieses konvektive Unwetterereignis verfasst, welcher hier abgerufen werden kann.

Synoptische Situation 

An der Ostflanke des weit südwärts ausgreifenden westeuropäischen Langwellentroges lag Luxemburg unter einer süd-südwestlichen Höhenströmung und somit war die Wetterlage meridional geprägt (Abb. 1, links). Trogvorderseitig liefen vermutlich schwache kurzwellige Anteile nord-nordostwärts, die in den Höhenwetterkarten kaum erkennbar waren (Hinweise im PVA-Feld). Sie sorgten jedoch für einen gewissen Hebungsantrieb.Zudem erstreckte sich an den beiden baroklinen Flanken des langwelligen Troges der Polarjet (Abb. 1, rechts) in rund 9 km Höhe, wobei die zyklonal gekrümmte Höhenströmung an der südlichen Spitze des Troges eine Subgeostrophie aufzeigte. Hauptsächlich war der rechte Eingangsbereich des Jets, welcher über Frankreich positioniert war, relevant für konvektive Entwicklungen. In diesem Bereich herrschten signifikante Höhendivergenzen, welche höchstwahrscheinlich Hebungsvorgänge begünstigten bzw. intensivierten und außerdem die Frontogenese unterstützten.

Abb. 1: Höhenanalysen des amerikanischen Wettermodells GFS vom 06.07.14 um 12 UTC: 500 hPa (links) und 300 hPa (rechts). Die dicken schwarzen Linien stellen das Geopotential (in gpdam) dar und die weißen durchgezogenen und gestrichelten Linien (rechts) die horizontale Divergenz (in 10-5 1/s). Die Farbflächen links entsprechen der Temperatur (in °C) und rechts der horizontalen Windgeschwindigkeit (in kn). Quelle: www1.wetter3.de/Archiv/.
Im Bodendruckfeld manifestierte sich zunehmender Tiefdruckeinfluss. Ausgehend von einem Tief östlich von Island erstreckte sich ein Frontensystem über Westnorwegen in die westliche Nordsee (Abb. 2). Hier wellte sich die Front und südlich davon griff die Kaltfront auf die Benelux-Staaten und Frankreich über, die aber zunächst nur langsam ostwärts vorankam. Im Vorfeld wurden von Süden her sehr warme und zunehmend potentiell instabile Luftmassen eingeschoben. Präfrontal bildete sich eine Konvergenzlinie, in dessen Bereich der Feuchtefluss konvergierte.

Abb. 2: Westeuropäische Bodenanalysekarte vom 06.07.14 um 15 UTC. Quelle: Deutscher Wetterdienst.

Thermodynamische und kinematische Umgebung 

Die höchste Temperatur wurde an diesem Tag mit 29.1°C in Bettemburg gemessen, wobei der Taupunkt am Nachmittag zwischen 15°C und 19°C variierte (Quelle: MeteoGroup-Messnetz). Als Referenz für die vertikale Schichtung der Atmosphäre und für die Bestimmung der jeweiligen Konvektionsindizes werden nun an dieser Stelle die Daten des Radiosondenaufstiegs aus Idar-Oberstein (Rheinland-Pfalz) verwendet, welcher um 18:46 Ortszeit gestartet wurde. In Abb. 3 ist das dazu gehörige thermodynamische Diagramm in Form eines schrägen T-log(p)-Diagramms dargestellt. Die rechte schwarze Zustandskurve ist der Temperaturverlauf und die linke gestrichelte Kurve der Verlauf des Taupunkts. Rechts neben dem Diagramm sind die Windpfeile für die entsprechenden Höhen angegeben.

Abb. 3: Radiosondenaufstieg aus Idar-Oberstein vom 06.07.14 um 18 UTC. Quelle: IGM Uni Köln.
Es folgt eine Auflistung der wichtigsten Parameter:

  • 500 hPa Temperatur: -12,3°C
  • 500 hPa Wind: 39 kn (72 km/h)
  • 850 hPa Temperatur: +16,0°C
  • 850 hPa Wind: 17 kn (32 km/h)
  • 850 hPa pseudopotentielle Temperatur: 55°C
    ==> Luftmassentyp: südeuropäische Subtropikluft (xS)
  • Mixed-Layer CAPE: 100 bis 200 J/kg
  • Surface-Based/Most-Unstable CAPE: 300 bis 400 J/kg
    ==> mäßige latente Instabilität
  • Mixed-Layer CIN: -15 J/kg ==> leichte bis mäßige konvektive Hemmung
  • KO-Index: -6  ==> potentiell labile atmosphärische Verhältnisse
  • Höhe der Tropopause: 11,6 km (218 hPa)
  • Schichtdicke 1000/500 hPa: 5686 gpm
  • Ausfällbares Niederschlagswasser (PWAT): 28 bis 32 mm
  • Windscherung 0-1 km (LLS): 7,2 m/s
  • Windscherung 0-3 km: 15,9 m/s 
  • Windscherung 0-4 km: 20,1 m/s
  • Windscherung 0-6 km (DLS): 16,5 m/s
  • SRH 0-3 km: 126 m²/s²

Insgesamt war die gesamte Troposphäre latent labil geschichtet. Bis in 800 hPa war eine gut durchmischte bzw. trockenindifferente Schicht vorhanden und oberhalb von 800 hPa war die Atmosphäre bedingt labil und unterhalb der Tropopause feuchtindifferent geschichtet. Ein sogenannter "CAPE robber" ist im Bereich von 570 hPa anhand einer Inversion zu erkennen. Außerdem ist oberhalb dieses Bereiches ein massiver Taupunktrückgang zu vermerken (Spread von bis zu 30°C), welcher den Beginn einer sehr trockenen Luftschicht kennzeichnete, die sich bis zur Tropopause erstreckte. Diese Konstellation, mit der sehr trockenen Luftströmung in der mittleren und oberen Troposphäre, die sich über einer relativ dünnen und sehr feuchten Schicht befand, führte in Kombination mit den starken niedertroposphärischen Winden (70 bis 90 km/h) zu extrem heftigen Windböen am Boden während dem Durchzug von konvektiven Zellen. Dieser Prozess wird in der nachfolgenden Verifikation genauer erläutert.
Zusammenfassend kam es zu einer Üperlappung zwischen einer mäßigen latenten Instabilität und einer relativ starken hochreichenden Windscherung, so dass die Bedingungen für organisierte und kräftige Konvektion gegeben waren. 

Verifikation 

  • Allgemeiner Wetterablauf
Der Tag startete mit einem wolkigen bis stark bewölkten Himmel. Im Laufe des Vormittages klarte es stellenweise gut auf, jedoch näherte sich bereits aus Frankreich ein sich abschwächender Gewittercluster. Dementsprechend nahm die Bewölkung wieder rasch zu, so dass der Himmel gegen Mittag wieder komplett bedeckt war. Gleichzeitig wurden vorderseitig der konvektiven Überreste einzelne kräftige Schauer über der Großregion ausgelöst, die aber nur vereinzelt ein paar Blitze produzierten und relativ schnell in den Westen von Deutschland weiterzogen.
Im Laufe des Nachmittags strahlte es dann bei leichter Bewölkung wieder gut ein, was sich positiv auf die latente Instabilität auswirkte. Im Bereich der bereits in der Synoptik erwähnten Konvergenzlinie kam es über der südlichen Mitte Frankreichs gegen 15:00 Ortszeit zur Auslöse von Feuchtekonvektion, die sich im weiteren Verlauf linienhaft organisierte und eine nordöstliche Zugrichtung besaß (Abb. 4a+b). Dabei wurde Luxemburg zwischen 18:00 und 19:00 Ortszeit von sehr kräftigen Gewitterzellen getroffen.

Abb. 4a: Satellitenbildanimation 12:00 bis 15:00 UTC / © MeteoGroup
Abb. 4b: Satellitenbildanimation 15:00 bis 18:00 UTC / © MeteoGroup
Zudem konnte man in den sichtbaren Satellitenbildern ein hoch interessantes Phänomen erkennen, atmosphärische Schwerewellen (Abb. 5). Diese waren zwar nur schwach ausgeprägt, aber man konnte sie dennoch erkennen (auch in den obigen Animationen). Teilweise zeigten sie sogar ein Fischgrätenmuster auf.
Schwerewellen sind Wellen in der Atmosphäre, bei denen die Schwerkraft für die Wellenbildung verantwortlich ist. Sie existieren aufgrund des hydrostatischen Gleichgewichts und aufgrund der exponentiellen Abnahme der Dichte mit zunehmender Hohe. Wird ein Luftpaket aus seiner Ruhelage ausgelenkt, führt es in einer thermisch stabilen Schichtung eine ungedämpfte vertikale Schwingung um seine Gleichgewichtslage aus. Die Auftriebskraft des Luftpaketes, welche sich aus dem Dichteunterschied zur Umgebungsluft ergibt, bestimmt dabei die rücktreibende Kraft der Schwereoszillation (Stepanski 2008).
Es gibt mehrere Anregungsmechanismen für Schwerewellen, wie z.B. Orographie und Frontogenese. Ein Zusammenhang mit Konvektion wurde auch erforscht und es wurden zwei verschiedene Mechanismen vorgeschlagen: Sich entwickelnde konvektive Zellen können stabil geschichtete Luft in größeren Höhen komprimieren, wodurch Schwerewellen ausgesendet werden. Oder: Luft überströmt hochreichende Gewitterwolken und induziert Schwerewellen. Hier erscheint es plausibel, dass Ersteres der Fall gewesen sein könnte (in Kombination mit Frontogenese). Im Allgemeinen ist die Charakterisierung und Erklärung von auftretenden Schwerewellen und deren Wechselwirkung mit anderen atmosphärischen Phänomenen ein intensives Forschungsgebiet.





























Abb. 5: Schwerewellen südlich von Luxemburg 14:00 UTC / © MeteoGroup

  • Charakterisierung der Konvektion über Luxemburg
Über die gesamte Länge Frankreichs hatte sich im Laufe des Nachmittags eine unterbrochene Multizellen-Linie (im Fachjargon auch "broken squall line" genannt) entwickelt, die an die präfrontale Konvergenz gekoppelt war (Abb. 6). Diese mesoskalige Schauerlinie besaß hauptsächlich in ihrem nördlichen Teil mehrere intensive Konvektionszellen, die dann gegen 18:10 Ortszeit luxemburgischen Boden erreichten.

Abb. 6: Niederschlagsradar 16 UTC / © infoclimat
Ein erstes sehr kräftiges konvektives Segment dieser Linie erfasste zunächst den äußersten Südwesten Luxemburgs. Bereits in Lothringen hatte diese kompakte Zelle (1) für große Schäden gesorgt und dessen extreme Intensität konnte man anhand der Radarbilder deuten (Abb. 7). Diese Gewitterzelle wies nämlich auf ihrer Vorderseite einen sehr starken Gradienten der Radarreflektivität auf, was in der Regel auf einen intensiven Aufwindbereich hindeutet. Desweiteren konnte man unmittelbar hinter dem Kern der konvektiven Zelle kleine Einkerbungen der Reflektivitäten erkennen (im Fachjargon "weak echo channels" bzw. WEC genannt), die ein Hinweis auf das mögliche Auftreten von stürmischen bis orkanartigen Windböen während dem Durchzug einer solchen Zelle sein können. 

Abb. 7: Niederschlagsradar 16:00 UTC / © MeteoGroup
Dieses unwetterartige Gewitter (1) zog dann mit einer Geschwindigkeit von ca. 70 km/h in Richtung Nordstad und dehnte sich seitlich ein bisschen aus, so dass ein leicht bogenförmiger Ansatz entstand. Auffallend waren Einkerbungen der Reflektivitäten an der Vorderseite der konvektiven Zelle, die man auf mesoskalige Wirbel (eng. "mesovortices") zurückführen könnte (Abb. 8).
Gerüchte, dass es sich hierbei um eine Superzelle (= Gewitter mit rotierendem Aufwind) handeln soll, können an dieser Stelle nicht bestätigt werden. Weder die Radarsignaturen noch die gesamte zeitliche Entwicklung deuten auf irgendwelche superzellige Strukturen hin. Man muss bedenken: Nicht alles, was eine super Zelle ist, ist eine Superzelle. Sehr tief hängende Wolkenbasen oder rotative Wolkenelemente müssen nicht zwangsläufig auf eine hochreichende Mesozyklone hindeuten. Außerdem sind zurzeit keine Daten des Radialwindes vorhanden, welche die These einer Superzelle stützen oder falsifizieren könnten.
Darüber hinaus traten signifikante Dämpfungseffekte (eng. "attenuation") beim Wetterradar aus Neuheilenbach auf. Die extrem starken Niederschläge des Gewitters führten dazu, dass in einem schmalen Streifen hinter der Konvektion kein Niederschlag mehr detektiert wurde, da kein Rückstreusignal mehr an der Radarantenne gemessen wurde.

Abb. 8: Niederschlagsradar 16:40 UTC / © MeteoGroup
Eine weiteres konvektives Segment zog auch aus Südwesten in den Süden des Landes herein. Dieses mehrzellige und leicht bogenförmige Gewitter (2) war aber bei weitem nicht so kompakt und intensiv wie das Obige (Abb. 9). Es verlagerte sich dann leicht zeitverzögert und parallel zum Gewitter (1) in eine nordöstliche Richtung und verlor dabei seine Struktur bzw. wurde zunehmend schwächer.

Abb. 9: Niederschlagsradar 16:30 UTC / © MeteoGroup
Insgesamt gestaltete sich die Analyse der Radarbilder ziemlich schwierig. Zum einen handelte es sich in diesem Fall um kein konvektives Paradebeispiel (wie es z.B. in der Fachliteratur vorkommt), so dass man nicht voreilig konkrete Schlüsse ziehen konnte. Desweiteren trugen die Dämpfungseffekte des Radargerätes auch zur Komplexität der Analyse bei. Deshalb soll man an dieser Stelle darauf hinweisen, dass bei neuen Erkenntnissen die aktuelle Interpretation eventuell überarbeitet werden müsste.
Abschließend ist in der unteren Animation die zeitliche Entwicklung der unwetterartigen Gewitter dargestellt, so dass man deren Durchgang über Luxemburg nachvollziehen kann (Abb. 10). "Besonders betroffen waren Rodange, Lamadelaine, Pétange, Lasauvage, Differdange, Bascharage, Clemency, Dippach, Abweiler, Leudelange, Mamer, Bertrange, Strassen, Bridel, Olm, Koerich, Septfontaines, Hobscheid, Garnich, Schouweiler, Nospelt, Keispelt, Mersch, Rollingen, Bourglinster/Imbringen, Larochette, Bissen, Colmaberg, Boevange, Marienthal, Medernach, Reisdorf, Beaufort, hinauf zur Nordstad, wo vor allem Ettelbrück und Ingeldorf in Mitleidenschaft gezogen wurden." (Quelle: rtl.lu)

Abb. 10: Radaranimation 15:00 bis 18:00 UTC / © MeteoGroup

  • Räumliche Verteilung der Starkregen-/Hagelereignisse
Obwohl die konvektiven Zellen eine relativ hohe Verlagerungsgeschwindigkeit besaßen, kam es stellenweise in kürzester Zeit zu markanten Niederschlagsmengen bzw. lokalen Überschwemmungen wegen teils sinflutartigen Regenfällen. Hier ein Beispiel aus Schieren, wo das Gewitter (1) wütete.
Die höchsten gemessenen Radarreflektivitäten über Luxemburg lagen im Bereich von 60 bis 62 dBZ, was einer Niedrschlagsintensität von etwa 200 mm/h entspricht. Solch hohe Reflektivitäten zeugen in der Regel auch von Hagelschlag, der in diesem Fall in Form von kleinkörnigem Hagel eher lokal aufgetreten ist (Abb. 11).

Abb. 11: Akkumulation von kleinkörnigem Hagel in Gilsdorf
In Petingen fielen innerhalb von 10 Minuten 15.9 mm Regen, in Ettelbrück 16.8 mm und in Steinfort 21.6 mm. Dies entspricht ohne weiteres den Unwetterkriterien des Deutschen Wetterdienstes. Bei den 12-stündigen Niederschlagsmengen lagen die drei genannten Ortschaften auch an der Spitze der Messungen (Abb. 12).

Abb. 12: Niederschlagsmengen (in mm) vom 06.07.14 zwischen 06 und 18 UTC . Quelle: MeteoGroup.
  • Ursache und Einschätzung der feuchten Fallböen
Die heftigste Begleiterscheinung der konvektiven Zellen war ohne jeden Zweifel der Wind. Sogenannte feuchte Fallböen (eng. "wet downbursts") sorgten auf dem Pfad des Gewitters (1) verbreitet für massive Schäden. Das Gewitter (2) hatte auch Sturmböen im Gepäck, die jedoch nicht zu großen Schäden geführt haben.
Ein Downburst ist im Allgemeinen eine schwere Gewitterfallböe, die auf kräftigen Abwinden innerhalb einer Gewitterwolke basiert. Durch mehrere Mechanismen können diese Abwinde sehr stark beschleunigt werden, so dass sie punktförmig mit voller Wucht auf den Boden aufprallen und radial ausfliessen. In diesem Fall verursachten ein thermischer sowie ein dynamischer Mechanismus die mächtigen Downbursts.
Der thermische Mechanismus basiert auf einer trockenen Lufströmung im mittleren Stockwerk der Troposphäre, die über eine niedertroposphärische und feuchte Luftschicht eingedrungen ist (siehe Abschnitt "Thermodynamische Umgebung"). Wenn nun Niederschlag durch diese trockene Schicht fällt, verdunstet ein Teil davon. Die umgebende Luft kühlt rasch ab (Schmelzwärme wird der Luft entzogen), wird schwerer (höhere Dichte) und stürzt aufgrund der Schwerkraft zu Boden. Dieser Prozess der Verdunstungskälte kann durch eine hohe Niederschlagslast (z.B. schmelzender Hagel) zusätzlich verstärkt werden.
Der dynamische Mechanismus basiert auf einem Starkwindfeld in der unteren Hälfte der Troposphäre (eng. "low-level jet" oder "mid-level jet"). Durch konvektive Umlagerungen werden die starken Höhenwinde bis in Bodennähe heruntergemischt. Dieser Prozess des vertikalen Impulsflusses kommt meistens dann zustande, wenn die niedertroposphärischen Schichten gut durchmischt sind.
Beide Mechanismen in Kombination führten an diesem Tag zu den Fallböen, die stellenweise Orkanstärke erreichten und durch ihr abruptes Einsetzen massive Schäden an der Infrastruktur anrichteten. Ein paar Impressionen der Downbursts, die das Gewitter (1) produzierte (via rtl.lu und wort.lu):

Ettelbrück / Foire Agricole 2014 (1)
Ettelbrück / Foire Agricole 2014 (2)
Bissen / Aufzug des Unwetters
Gilsdorf / Mitten im Downburst

Wie man in den jeweiligen Videos unschwer erkennen kann, war die Intensität und Kontinuität der feuchten Fallböen sehr beachtlich!
Die Windmessungen der MeteoGroup-Wetterstationen stützen in jeder Hinsicht die audiovisuellen Eindrücke (Abb. 13). In Steinfort stieg die Windgeschwindigkeit binnen weniger Minuten von 39 auf 131 km/h (Orkanstärke). Dies war auch in Batringen in der Fall, wo maximal 113 km/h (orkanartige Windböe) gemessen wurden. In Ettelbrück wurden "nur" 78 km/h (Sturmböe) gemessen, wobei man anhand der Videos und Schadensbilder davon ausgehen kann, dass der Downburst bei dieser Wetterstation keinen Volltreffer landete und dass es im gesamten Korridor des Gewitters (1) verbreitet zu Windgeschwindigkeiten von bis zu 140 km/h gekommen sein muss. In Diekirch wurde von einer privaten semi-professionellen Wetterstation eine schwere Sturmböe von 90 km/h gemessen (Quelle: meteoLCD).

Abb. 13: Windspitzen (in km/h) zwischen 16 und 17 UTC. Quelle: MeteoGroup.
Nun folgen noch ein paar Eindrücke der Schäden, welche die Gewitterfallböen hinterließen. Die Bilder sprechen für sich. Es blieb leider nicht nur bei Sachschäden, denn in Ettelbrück wurden bei der Foire Agricole 2014 fünf Menschen durch umgestürzte Bäume, beziehungsweise umgewehte Zelte oder treibende Objekte, verletzt. Weitere Fotos von Schäden findet man in den folgenden Presseberichten:
RTL.lu
wort.lu 
tageblatt.lu

Massive Vegetationsschäden in Kehlen / © SIS-Kehlen (via wort.lu)
Dachschäden der alten Luxlait-Fabrik in Erpeldingen / © Joyce G. (via rtl.lu)
Sachschäden in Ettelbrück (Foire Agricole 2014) / © Leserfoto (via wort.lu)
© Alain Rischard (via editpress)

  • Blitzaktivitäten
Die Gewitterzelle (1) war im Gegensatz zum Gewitter (2) ziemlich blitzintensiv, so dass die Blitzdichte in einem diagonalen Streifen zwischen Steinfort und Vianden relativ hoch war (Abb. 14). Insgesamt wurden innerhalb von 3 Stunden über 1500 Blitze über Luxemburg und den angrenzenden Regionen detektiert. Die Blitzintensität erreichte zwischen 18:40 und 18:50 Ortszeit ihr Maximum. Schäden durch Blitzschläge wurden nicht gemeldet.


Abb. 14: Wolken- (grün) und Erdblitze (rot) zwischen 15:00 und 18:00 UTC / © nowcast GmbH
Auffallend ist die Tatsache, dass das intensive Gewitter (1) ab dem Zeitpunkt als es ungefähr Steinfort erreichte, anfing mehr Wolken- (blaue Linie) als Erdblitze (orange Linie) zu produzieren (Abb. 15). Dies könnte vermutlich daran gelegen haben, dass innerhalb der Gewitterwolke rasante Vertikalentwicklungen auftraten.

Abb. 15: Zeitliche Entwicklung der Blitze zwischen 15:00 und 18:00 UTC / © nowcast GmbH
  • Visuelle Eindrücke der Konvektion
Die beiden Gewitter (1) und (2) waren sehr fotogen und besaßen atemberaubende Strukturen. Die recht turubulente oder teils rotative Anordnung der Wolken könnte man auf die eingelagerten "mesovortices" zurückführen, die am Anfang der Verifikation erwähnt wurden. Auch die sehr stark ausgeprägte Eigendynamik der Gewitter hinterließ ihre Spuren beim strukturellen Aufbau der Zellen. Zudem merkt man, dass die Gewitter aus jeder Perspektive anders auszusehen scheinen.

Sehr tief hängende Wolkenbasen des Gewitters (1) / Göblingen
Böenfront des Gewitters (2) / Sandweiler
Böenfront des Gewitters (2) / Düdelingen
Vorderseite des Gewitters (1) / Schieren
Böenfront des Gewitters (1), mit zugehörigem Starkregenstreifen und Downburst / Ettelbrück

Referenz:
Stepanski (2008)

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