Friederike: Produkt des Klimawandels?

Sturm FRIEDERIKE zog am 18. Jänner 2018, dem 11. Jahrestag von Orkan KYRILL, über Mitteleuropa hinweg und forderte mehrere Tote, die Einstellung des kompletten Fernverkehrs in Deutschlands sowie immense Waldschäden entlang der deutschen Mittelgebirge. Mit einem minimalen Kerndruck von 976 hPa, erreicht um 11.00 Uhr Lokalzeit in Wittmund (Niedersachsen) handelte es sich nicht um ein ungewöhnlich starkes Sturmtief. Die Druckänderungen („der sogenannte isallobarische Druckgradient) waren dennoch beachtlich: In Norddeutschland wurden vor Durchzug des Tiefdruckkerns verbreitet 100er Drucktendenzen (-10 hPa in 3 Stunden) beobachtet, der Druckanstieg brachte es vor allem in Niedersachsen auf 100 bis 140 Zehntel innerhalb 3 Stunden, der Rekordwert stammt von Friesoythe-Altenoythe nahe Oldenburg, mit 15,7 hPa Anstieg bis 16 Uhr Lokalzeit.

Stärkster Druckanstieg und Spitzenböen fielen nicht zusammen

Bei typischen Sturmtiefs mittlerer Breiten treten die Spitzenböen entweder entlang der (gewittrigen) Kaltfront auf, so wie bei HERWART (29.10.17) oder BURGLIND (3.1.18), oder auf der Tiefrückseite in Zusammenhang mit Höhenkaltluft und schnell nachrückendem Bodenhoch, so wie bei LOTHAR (26.12.1999) oder am 12.01.2007 (unbenanntes Tief). Ausfallend bei FRIEDERIKE ist jedoch, dass die stärksten Windböen weit über 100 km/h nicht mit der Zone des größten Druckanstiegs (über 10 hPa in 3 Stunden) zusammenfiel.  Bei XAVIER (5.10.17) war dies beispielsweise der Fall.

Das Starkwindband in der Höhe bei FRIEDERIKE war schon tagelang im Voraus von den Modellen angedeutet, so zeigte der GFS-12z-Lauf vom Sonntag, 14.01., in 700 hPa (ca. 3000m Seehöhe) einen Mittelwind von 90-100kt.

Abb.1.: Prognose 700hPa-Wind für 18.01., 10 lct.

Ein solches Windmaximum kann, muss aber kein Hinweis auf einen Sting Jet sein.

Keine hochreichende Schauer- und Gewitterbildung beteiligt

Die berechnete Labilität für den Bereich der stärksten Höhenwinde war von den meisten Modellen gering, meist zwischen 50 und 150 J/kg, bei deutlich positivem Lifted Index (flache Konvektion) und deutlich versetzt zu den Spitzenböen, erst mit der Höhenkaltluft über der Nordsee nahm auch die Labilität deutlich zu.

Abb.2.: RGB Luftmassenbild und Radarbild, 13 lct.

Das Luftmassen-Satellitenbild von 13 Uhr Lokalzeit sowie das Radarbild zeigen eine gut ausgeprägte Okklusion, die über Nordostdeutschland für intensiven Schneefall sorgte und die Spitzenböen deutlich dämpfte. Die Warmfront setzt sich über Polen fort. Die Kaltfront an der Vorderkante des Dryslots ist quasi inexistent, mit geringen Temperaturunterschieden und ohne linienhafte Strukturen im Radarbild. Orkanböen wurden zu diesem Zeitpunkt verbreitet über NRW gemessen, wo die Wolkenobergrenzen signifikant niedriger waren als im restlichen Bereich der Zyklone. Sie bilden die Fortsetzung der Okklusion, die im Bereich des Dryslots massiv verdunstet und sich dabei erwärmt. Nach neueren Theorien (z.B. Schultz 2013) ist die Verdunstungskälte nur eine Begleiterscheinung, nicht aber hauptverantwortlich für die Spitzenböen. Entscheidend ist die Frontolyse im Bereich der eingedrehten Warmfront/Okklusion, wo warme Luft absinkt und den starken Höhenwind als Sting Jet herabmischt.

Abbildung 3: Sichtbarer Kanal im Satbild und Taupunkte um 14 Uhr lct, Quelle: kachelmannwetter.com

Die Zone der Spitzenböen um 14 Uhr Lokalzeit ist rot eingekastelt, die Okklusion lila, die Kaltfront als dünne blaue Linie und die roten T’s markieren den Bereich des schmalen Warmsektors mit erhöhten Taupunkten.

Auch hier gilt: Die Spitzenböen treten südlich der herumgeführten Okklusionsfront auf, an der Spitze des Stachels, quasi nach dem Lehrbuch eines Sting Jets. Die Kaltfront ist, wie es sich für eine Shapiro-Keyser-Zyklone gehört, kaum bis gering ausgeprägt. Spannend ist hier alleine der markante Taupunktsgradient entlang der Kaltfront, mit präfrontal 5-7°C im Warmsektor und verbreitet -2°C postfrontal. Diese „Dryline“ alleine genügte aber nicht, um kräftige Schauer oder Gewitter zu erzeugen. Dazu war die Labilität zu gering und der Hebungsantrieb durch die Dry Intrusion unterdrückt.

Abb.4.: 300 hPa Wind + horizontale Divergenz, Prognose 00 UTC für 06 UTC, Quelle: wetter3.de

Ich muss gestehen, ich hätte FRIEDERIKE wenige Tage vorher noch für eine klassische Norwegerzyklone gehalten, doch im Jetstream zeigt sich über Norddeutschland eine Überlagerung zweier Jetstreams (von UK her und vom Balkan), die für Shapiro-Keyser-Zyklonen Voraussetzung sind. Die intensive Hebung bevorzugt ausgeprägte Warmfronten oder Okklusionsfronten gegenüber Kaltfronten.

Abb.5.: Sichtbares Satbild + Radarbild + Spitzenböen um 15 Uhr lct, Quelle: Sat Dundee und kachelmannwetter.com

Nun wird’s ein bisserl komplizierter. Auch um 15 Uhr Lokalzeit ist eindeutig, dass die Spitzenböen (rot eingekreist) unmittelbar südlich der Okklusion auftreten und nach wie vor dort, wo sowohl insignifikante Radarechos auftreten als auch die Wolkenobergrenzen deutlich niedriger sind. Orange angedeutet der Warmsektorkeil mit teilweise wolkenlosem Himmel. Im grün eingekreisten Bereich finden sich wieder stärkere Echos, hier schiebt sich von Südwesten eine Verwellung herein, die sich in den Abend- und Nachtstunden intensiviert, an die Alpen legt und für ergiebige Niederschläge sorgen wird. Blau eingekreist die hereinströmende Höhenkaltluft mit deutlicher Labilisierung und zunehmender Schaueraktivität. Etwas rätselhaft bleibt die Entstehung einer schmalen konvektiv leicht verstärkten Linie (braun eingekastelt), die sich zwischen Dryslot/Höhenkaltluft weiter nördlich und dem schmalen antizyklonalen Bereich weiter südlich befindet. Das Windfeld ist höchstens schwach konvergent, die Taupunkte entlang der Linie leicht erhöht, die Temperatur leicht erniedrigt (Henne-Ei-Frage – Niederschlag feuchtet an und kühlt ab).

Zusammenfassung:

Die Ähnlichkeiten zu XAVIER (Analyse von damals) sind frappierend (oben FRIEDERIKE, unten XAVIER)

In beiden Fällen ist ein STING JET beteiligt, bei dem die um den Tiefdruckkern herumgewickelte Okklusionsfront unter das massive Absinken des trockenen Oberstroms (Dryslots) gerät. Die Wolkenluft verdunstet und die freigesetzte Verdunstungskälte setzt die statische Stabilität in der Grenzschicht herab. Das begünstigt die vertikale Durchmischung.

Im Gegensatz zu XAVIER ist der Trockeneinschub im Wasserdampfbild bei FRIEDERIKE jedoch nicht gut zu sehen.

Mehrere Wetterballonaufstiege (z.B. Idar-Oberstein, Meiningen, Kümmersbruck) vom 18.1., 13 Uhr Lokalzeit, zeigen ein erstes vertikales Windmaximum in 800 hPa (ca. 1600m Seehöhe) mit 80-85kt, was nahe den Spitzenwindböen am Boden kommt.

Abb 6.: Gegenüberstellung maximale 24-Stunden-Windböen von XAVIER (links) und FRIEDERIKE (rechts), Quelle: https://kachelmannwetter.com 

Beiden Sturmtiefs ist gemein, dass die Orkanböen nur ein einem verhältnismäßig schmalen Bereich auftraten. Wenn das Norddeutschland betrifft, kräht kein Hahn danach, dort ist man das gewöhnt. XAVIER traf aber zwei Metropolen, Hamburg und Berlin, noch dazu im Zustand belaubter Bäume und zur Rush Hour, FRIEDERIKE betraf das dichtbesiedelste Bundesland Deutschlands (NRW) sowie dichtbewaldete Mittelgebirge, wo entsprechend maximale Schäden für die Verkehrsinfrastruktur und Energieversorgung auftreten können.

Nachfolgend eine Übersicht über 16 Sturm- und Orkantiefs seit 1972, blau markiert jene mit Orkanböen in ganz Deutschland, grün markiert jene, wo zweifelsfrei ein Sting Jet beteiligt war. Eingeschränkt wird die Interpretation dadurch, dass eine Vielzahl schwächerer Stürme nicht berücksichtigt wurde, was auch schwächere Sting Jets betreffen kann, und der Fokus ausschließlich auf Deutschland liegt.

16 Orkane mit den jeweils registrierten Spitzenböen vom Tag, Großansicht, Quelle: Kachelmannwetter

Seit KYRILL 2007 sticht nur noch NIKLAS 2015 mit einem großflächig betroffenen Bereich mit Orkanböen heraus, die vergangenen drei Ereignisse betrafen nur Teile Deutschlands, so übrigens auch LOTHAR 1999. Bei früheren Ereignissen wurden noch deutlich höhere Spitzenwinde an Flachlandstationen gemessen. Das Phänomen des STING JETS ist hierzulande noch nicht so lange bekannt, betrifft aber fast ausschließlich nur Teilbereiche, nie das ganze Land (vgl. XYNTHIA, JOACHIM, CHRISTIAN, XAVIER, FRIEDERIKE). Unglücklich, wenn es dicht besiedelte und dicht bewaldete Regionen trifft, aber immer noch nicht vergleichbar mit großflächig auftretenden Orkanböen.

Wie intensiv so ein Sturmereignis ausfällt, hängt also von mehreren Faktoren ab:

Meteorologische Faktoren:

• Umfang des Sturmtiefs: Kleinräumiges Randtief oder großräumiges Zentraltief?
• Dauer des Sturms: Schnellläufer oder langsam ziehend
• Warmsektorsturm, heftiger Druckanstieg, intensive Kaltfront mit Gewitterlinie
• Sting Jet

Orographische Faktoren:

• Föhneffekte
• Leitplankeneffekt am Alpenrand

Topographische und demographische Faktoren:

• Bewaldung, Belaubung, Schneedecke, langfristige Witterung (übersättigte Böden)
• Bahn- und Straßeninfrastruktur
• Besiedlung (Großstädte)
• Zeitpunkt (Rush Hour, Ferien, Wochenende)
• Forstwirtschaft

Damit ist vermutlich noch nicht alles genannt, aber das alleine zeigt, wie komplex die Auswirkungen eines Sturmtiefs auf Mensch und Vegetation ist.

Gibt es einen Zusammenhang mit dem Klimawandel?

Die Frage wurde bereits bei XAVIER gestellt und von mir hier diskutiert.

Vorläufig ungeklärt bleibt die Frage, ob Shapiro-Keyser-Zyklonen (und damit Sting Jet-Ereignisse) zunehmen. Obwohl die Häufung von Sturmereignissen im vergangenen Halbjahr (Xavier, Herwart, Burglind, Friederike) an den Winter 1989/1990 erinnert, sind sie von der betroffenen Fläche her nicht vergleichbar – eben WEIL u.a. die Stingjet-Beteiligung die betroffene Fläche reduziert, solange das Hauptsturmfeld flächenmäßig gering bleibt.

Die Erwartungshaltung gegenüber dem Klimawandel ist eigentlich, dass die Stürme seltener, dafür stärker werden. Seltener, weil sich die globale Erwärmung im Mittel stärker in den Polregionen bemerkbar macht und die äquatorwärtigen Temperaturunterschiede abgeschwächt werden. Das schwächt den Jetstream, der der Motor für Sturmtiefentwicklungen ist. Das könnte die verringerte Zahl an Sturmtiefs in den vergangenen Jahren erklären (vgl. z.b. Vihma 2017)

Auf der anderen Seite sorgen schwächere Jetstreams aber auch für günstigere Bedingungen für tropische und subtropische Systeme, aus denen bevorzugt Shapiro-Keyser-Zyklonen hervorgehen können: Major Hurrikan OPHELIA war ein Paradebeispiel hierfür.

Auch FRIEDERIKE entwickelte sich wie XAVIER aus einer Warmfrontwelle über dem Nordatlantik. Bevor wir also überhaupt ins Detail gehen können, ob solche Stürme häufiger werden, muss man zuerst ergründen, ob der Nährboden für diese Stürme häufiger gegeben ist oder die Häufigkeitsverteilung in den vergangenen Jahrzehnten relativ ausgeglichen ist.

(Ende Nachtrag am 21.01.2018, 22.40 MEZ; 24.01.18: PDF-Link eingefügt, 25.0.1.18: Änderung bei Erklärung zur StingJet-Entstehung)

Wenn Schäden generell zunehmen, kann das auch nichtmeteorologische Ursachen haben:

• zunehmende Sorglosigkeit/Abstumpfung bei Unwetterwarnungen
• nicht eingehaltene Baunormen
• Versäumnisse bei der Pflege von Verkehrswegen (z.B. präventives Fällen gefährdeter Bäume entlang von Bahnstrecken)
• gestiegener Sachwert (etwas von demolierten Autos)
• Zunahme prekärer Jobverhältnisse (höherer Impact, wenn man wetterbedingt nicht zur Arbeit kommt)

Bleibt als Schlussaussage meinerseits nur zu sagen: Es ist nicht eindeutig erwiesen, dass Sturmereignisse wie FRIEDERIKE in Zukunft häufiger auftreten und heftiger werden. Gegen die Klimaerwärmung sollte man dennoch etwas tun und präventiv tätig werden. In meinen Augen zählt dazu neben alternativer Energie- und Rohstoffnutzung vor allem der massive Ausbau des öffentlichen Verkehrs – die Zukunftsvisionen des vollkommen autonomen Individualverkehrs tendieren eher in die Gegenrichtung.