Hagel physikalisch nicht erklärbar?

Am Freitag, 11. Juni 2021, gab es im Mühlviertel (Oberösterreich) im Bezirk Freistadt schwere Schäden durch Starkregen mit Überflutungen und Hangrutschen sowie durch massiven Hagelschlag. Im ORF-Bericht (abgerufen am 16.06.21) heißt es dabei:

Interessant war, dass es am Freitagnachmittag gar keine warmen Temperaturen gegeben hat, trotzdem ist aber so viel Hagel entstanden. Das ist zwar physikalisch nicht ganz erklärbar, aber, so wie das Wetter verrückt spielt, ist anscheinend alles möglich.

Landesleiter der Hagelversicherung, Wolfgang Winkler

Hoffentlich nur wieder einmal ein Fall eines verkürzten und missverständlich ausgedrückten Zitats.

Vorab eine sprachliche Korrektur: Temperatur ist eine Zustandsgröße und kann daher nur hoch oder niedrig sein, aber nicht warm oder kalt. Die Luft kann warm oder kalt sein (bzw. sich anfühlen). Siehe dazu auch die Kritik von Professor Reinhold Steinacker, Universität Wien, im letzten Mitgliederheft der Österreichischen Meteorologischen Gesellschaft (ÖMG).

Viel Hagel…. wie die Bilder von dem Ereignis zeigen, sind vor allem Massen an kleinem Hagel gefallen. Die Größe war also nicht außergewöhnlich, sondern die Menge. In diesem Ausmaß kann das sogar auf die Fläche bezogen fataler sein als eng begrenzt fallender großer Hagel, denn Hagelmassen verstopfen die Kanalisation und intensivieren Überschwemmungen. Wir reden also von maximal einem Zentimeter großen Hagel.

Für Hagelentstehung sollte die Wolkenobergrenzentemperatur wenigstens -30°C und kälter sein, da genügend Flüssigwassergehalt in der Schicht zwischen -10 und -30°C benötigt wird. Die Nullgradgrenze sollte zwischen 2200 und 3200m liegen. Darüber ist die Luft zu warm und der Hagel schmilzt vollständig, ehe er den Boden erreicht. Darunter ist meist der Gehalt an unterkühltem Flüssigwasser nicht ausreichend. Sonst braucht es natürlich generell die Zutaten für Gewitter wie Feuchte, Labilität und Hebung.

Hebung

Das Wasserdampfbild vom Freitag, 11. Juni 2021, 14:00 MESZ, zeigt in hellen Farben sehr feuchte Luftmassen und hochreichende Wolken, in dunklen Farben bis gelb sehr trockene Luft. In der Meteorologie sind Gradienten häufig bedeutend, so auch hier der Wasserdampfgradient von feuchter zu trockener Luft hin. Hier entstehen häufig Hebungsgebiete, die bei genug Feuchte und Labilität in den unteren Atmosphärenschichten ausreichen können, um Schauer und Gewitter zu produzieren. Einen ausgeprägten Gradienten sieht man vom Baltikum über Polen, Tschechien, das Mühlviertel bis Südtirol reichen. Die Orte mit den Hagelunwettern befanden sich also nahe zu so einem Gradienten (die Hebung lässt sich auch dynamisch durch ein diffluentes Strömungsfeld in der Höhe erklären, hier ist es aber anschaulicher und exakter).

Feuchtlabilität

Der Wetterballon-Aufstieg von Linz-Hörsching am gleichen Tag um 5 Uhr morgens. Links Taupunkt, rechts Temperatur, ganz rechts die Windfiedern (Richtung + Stärke in Knoten). Die Höhe ist in hPa (links) und Meter (rechts) angegeben. Bodentemperatur- und taupunkt habe ich mit den Werten um 13 Uhr MESZ modifiziert (20°C und 14°C), daraus ergibt sich die blaue Aufstiegskurve eines potentiell labilen Luftpakets. Das kann ungehindert bis zur Tropopause in ca. 11km Höhe aufsteigen. Die Wolkenobergrenzentemperatur betrug also rund -60°C im Gewitter. Die Labilität also ausreichend für kräftige Gewitter.

Für Großhagel gibt es aber drei limitierende Faktoren:

i) Die Nullgradgrenze liegt bei knapp 3000m und damit relativ weit oben

ii) Schicht zwischen -10 und -30°C ist recht trocken.

iii) die vertikale Windscherung bzw. Windzunahme war sehr schwach, erst ab etwa 8km Höhe nahm der Höhenwind etwas stärker zu. Bodennah und in der mittleren Troposphäre, also dort wo sich der Hauptteil der Gewitterwolke befindet, war die Strömung schwach aus nördlichen Richtungen. Damit konnte sich das Gewitter kaum organisieren (Auf- und Abwindbereiche versetzt). Organisierte Gewitter können auch großen Hagel hervorrufen, wenn die sonstigen Bedingungen ungünstig sind (z.B. hohe Nullgradgrenze).

Satellitenbild von 14 Uhr MESZ, sichtbarer Kanal. Die Mühlviertler Hagelzelle ist schwarz eingekreist. Weitere Gewitter gingen zwischen St. Pölten und Wien sowie im Weinviertel nieder. Sie zogen von Tschechien südwärts, die Ambosswolken (Cumulonimbus incus) sind nach Süden hin ausgeweht.

Damit ist grundsätzlich die Entstehung des Hagels geklärt, und zwar unabhängig davon, ob die Luft subjektiv gesehen warm genug dafür war, oder objektiv alle Zutaten für Hagel gegeben waren. Jetzt bleibt noch zu klären, warum so viel Hagel gefallen ist:

Dazu folgende Radaranimation (13.45-15.00 in 15min-Schritten):

Sie zeigt, dass genau über den am stärksten betroffenen Gemeinden Pierbach und Schönau eine ortsfeste Gewitterzelle entstanden ist, die für einige Minuten die höchste Reflektivität erreicht hat. Die Menge an Hagel resultiert also aus der Ortfestigkeit des Gewitters und nicht aus höherer Gewalt oder Erderwärmung, wie der Experte andeutet. Eine Folge der Erderwärmung kann lediglich die Häufigkeit solcher stationärer Unwetter sein.

Es bleibt die Frage, warum ausgerechnet dort die Gewitterzelle nahezu stationär blieb, während sie in anderen Regionen stärkere Verlagerungsbewegungen zeigten.

Die Gewitterzelle (rot markiert) bekam bodennah von südlichen Winden beständig energiereiche Luft zugeführt, während die allgemeine Verlagerungsrichtung in Nord-Süd-Richtung war. Das gesamte Mühl- und Waldviertel war von einer Bodenwindkonvergenz erfasst, wo also Winde aus gegensätzlichen Richtungen zusammenströmen und die Luft gehoben wird. Bei nicht zu starker Höhenströmung bleiben die Gewitter an der Konvergenz. Im Radarloop ist auch auffällig, dass die Zellen sich rasch abschwächen, sobald sie ins Donautal hinabziehen („Lee-Effekt“).

Die beständige Regeneration einer ortsfesten Gewitterzelle nennt sich auch backbuilding convection. Ein sehr ähnliches Ereignis führte am 16. April 2018 zu schweren Überflutungen in Graz, damals fielen 161 Liter pro Quadratmeter in 3 Stunden (siehe meine Analyse).

Zum Abschluss noch eine Berichtigung – das Schaubild der APA zeigt eine veraltete Theorie zur Hagelentstehung!

So entsteht Hagel also nicht. Die veraltete Theorie ist die Vorstellung, dass ein Hagelembryo mehrfach in der Gewitterwolke zirkuliert und sich dabei unterkühltes Flüssigwasser anlagert. Simulationen von Matthew Kumijan zeigen, dass das Hagelkorn in einem Durchlauf (Trajektorie) durch die Wolke steigt und wieder absinkt. In seinem Paper Kumijan et al. (2019) spricht er zu dem den hier geschilderten Fall mit großen Mengen an kleinem Hagel an. Unter den gefundenen Voraussetzungen erkennen wir eine sofort wieder:

„weak storm-relative wind speeds (<10 m s−1) in the lowest few kilometers of the troposphere“ – Das ist auch im Wetterballonaufstieg oben gut sichtbar!

Und übrigens, Wassertröpfchen werden durch Abkühlung alleine nicht zu Graupelkörnern. Wenn Wasser gefriert, entsteht normalerweise Eis, es würden also Eiskörner entstehen. Für Graupelkörner braucht es Eis- und Schneekristalle und unterkühlte Wassertröpfchen. Die Eiskristalle sammeln wegen des Sättigungsdampfdruckgefälles die Wassertröpfchen ein und wachsen zu Graupelkörnern heran. Durch das weitere Anwachsen mit unterkühltem Flüssigwasser und Tauen/Gefrieren entstehen die Hagelkörner mit unterschiedlicher Beschaffenheit („wet growth“: durchsichtig, Klareis, „dry growth“: milchig-weiß, undurchsichtig).

Zusammenfassung:

Die Bedingungen für Gewitter waren gegeben und die Labilität war für Hagel grundsätzlich ausreichend. Sehr feuchte Luft und wenig Windscherung mit der Höhe begünstigten kleinen Hagel. Durch die ortsfeste Windkonvergenz blieb das Gewitter stationär und regenerierte sich über eine Stunde lang. So kamen die Hagelmengen und auch die großen Regenmengen zustande.

Quellen:

Wetterballonaufstieg: Wyoming Soundings

Radar- und Satellitenbilder: Kachelmannwetter

Karte: Open Street Map bei Bergfex

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