Unwetterlage am 20.05.22: Was ist Klimaerwärmung, was ist Wetter?

Die Prognosen sind eingetroffen, es gab an beiden Tagen schwere Unwetter in weiten Teilen von Mitteleuropa. Über den Donnerstag, 19.05.22, hatte ich bereits kurz berichtet und einen Ausblick für den Freitag gegeben. Ein starkes Bodentief in einer hochsommerlichen Luftmasse: Tornados waren vorprogrammiert. Laut Europäischer Unwetterdatenbank (ESWD.eu) wurden mindestens fünf Tornados registriert, wobei vier Tornadofälle in einer Zugbahn lagen, es könnte also auch ein einzelner, langlebiger Tornado gewesen sein. Seine stärkste Intensität erreichte er beim Durchqueren der Stadt Paderborn. Dabei gab es mindestens 43 Verletzte, 13 davon schwer (Stand 22.05.22). Die Unwetterlage selbst ist eingetroffen wie vorhergesagt, aber in den Details gab es große Abweichungen von den Lokalmodellen: Ursprünglich hätte die Squall line über Norddeutschland ostwärts ziehen sollen, tatsächlich ist nördlich von Berlin keine Blitzaktivität mehr registriert worden. Stattdessen lag der Ursprung der Böenlinie über Süddeutschland gegen 17.30 MESZ. Von dort breiteten sich die Gewitter explosionsartig nach Osten über Bayern, Sachsen, Tschechien und knapp dem Norden von Österreich aus. In Pilsen wurde 126 km/h gemessen, in Prag 115 km/h. Insgesamt haben nur wenige deutsche Stationen Böen über 100 km/h registriert. Selbst über 75 km/h sind nicht flächendeckend aufgetreten. Die Bezeichnung „Sturmtief“ für das Bodentief ist also übertrieben, da der Hintergrundwind weit schwächer war als lokale Böen in Verbindung mit Superzellen und mehreren Gewitterlinien.

In dieser Fallstudie möchte ich insbesondere darauf eingehen, warum es in welchen Regionen besonders zu Unwettererscheinungen gekommen ist, und warum die große Gewitterlinie im Norden ausblieb. Ich möchte aber auch die Frage beleuchten, ob die starken Tornados ein Zeichen für die fortschreitende Klimaerwärmung sind. Wie immer gibt es keine klaren Ja oder Nein-Aussagen.

Großräumige Entwicklung

Quelle: wetter3.de

Der Wochenausklang war geprägt von einem mächtigen Höhenrücken von Nordafrika über den westlichen Mittelmeerraum bis zu den Alpen. Vorderseitig eines Troges über dem Nordatlantik wurde subtropisch warme Luft über die Iberische Halbinsel und Frankreich bis nach Mitteleuropa geführt. Verbreitet kam es zu Temperaturrekorden für Mai, für Frankreich war es der 39. Tag in Folge mit weit überdurchschnittlichen Höchstwerten. In die straffe Südwestströmung eingebettet waren zwei ausgeprägte Kurzwellentröge. Der erste führte am Donnerstag zu einem stärkeren Bodentief und brachte eine ausgedehnte Squall line über Norddeutschland. Das zweite, bereits seit Tagen stärker gerechnete Bodentief zog am Freitag über Benelux und Norddeutschland zur Ostsee und leitete den Luftmassenwechsel ein.

Mitteleuropa wurde am Freitag in drei Zonen geteilt:

Taupunktsverteilung am Freitag, 20.05.22, 17 Uhr MESZ (größte tornadische Aktivität), Quelle: https://kachelmannwetter.com/at/messwerte/deutschland/taupunkt/20220520-1500z.html

Zone 1: Barokline Zone mit stärkstem Luftmassengegensatz – frontal geprägt im Bereich der Bodentiefzugbahn und Okklusion. Kühle Luftmassen (maximal 16-24°C) mit niedrigen Taupunkten. Hier entstand ein Regengebiet ohne eingelagerte Gewitter.

Repräsentativer Aufstieg für die Umgebung der Okklusion: Lindenberg, Ostbrandenburg um 12 und 18 UTC.

Im 14 Uhr MESZ-Aufstieg (links) ist ein „warmer Bauch“ zwischen 800 und 600 hPa zu erkennen, unten ist es generell trocken und oben sehr feucht (frontal, Okklusion). Keine Labilität vorhanden. Im 20 Uhr MESZ-Aufstieg (rechts) wurde die warme Shicht zwar abgebaut, aber in etwa 850 hPa ist es noch etwas wärmer geworden und die Inversion ist geblieben. Höchstens marginal Labilität vorhanden. Weiter im Nordosten sieht man die frontale Prägung noch stärker, z.B. in Greifswald im Mittagsaufstieg:

Greifswald, 20.05.22, 12 UTC

Eine ausgeprägte Absinkinversion in den unteren Schichten mit sehr trockener Luft. Oberhalb etwa 600 hPa die bis zur Tropopause feuchtere, frontale Schicht mit mittelhoher und hoher Bewölkung der Okklusionsfront.

Zone 2: Ein relativ schmaler Bereich im Warmsektor zwischen Nordfrankreich und Sachsen mit Höchstwerten zwischen 20 und 30°C, im Bereich der Tornados aber höchstens 24°C. Hier lagen auch die Taupunkte am höchsten mit verbreitet 16-20°C, dadurch vergleichsweise geringe Taupunktsdifferenz (spread) und niedrige Wolkenuntergrenzen – eine wichtige Voraussetzung für Tornadobildung!

Repräsentativer Aufstieg im Ruhrpott: Essen um 12 UTC

Quelle aller Aufstiege: Meteo Uni Innsbruck

Der Aufstieg etwa drei Stunden vor den Tornados zeigt rückdrehende Bodenwinde (Südost), darüber stark aufdrehende Südwestwinde. Die notwendige Richtungs- und Geschwindigkeitsscherung für Tornados! Die Labilität war gedeckelt durch zwei Absinkinversionen, die infolge der noch zunehmenden Hebung (großräumig, Outflow Boundaries, Einstrahlung) aber abgebaut wurden. Dann konnte die Luft bis zur Tropopause aufsteigen. Die niedrigste Obergrenzentemperatur wurde mit rund -70°C gemessen.

Extreme Forecast-Index (EFI) für Freitag bis Samstag 00-00 UTC, Überlappung CAPE und Scherung, Quelle: ecmwf.int

Der EFI zeigt die Wahrscheinlichkeit für Ereignisse, die von der Modellklimatologie abweichen. 1 heißt so viel wie „noch nie dagewesen“. Das zeigt für Nordfrankreich bis Nordrhein-Westfalen verbreitet eine 1 für das Produkt aus CAPE-Scherung. Wenn sich beide Faktoren überlappen und tiefbasige Konvektion entsteht, besteht das höchste Potential für Tornados.

Zone 3: Süddeutschland, Tschechien und der Norden von Österreich – die heißeste Luftmasse mit verbreitet 30-34°C und Temperaturrekorden (Bludenz 33,7) und lange ungestörter Einstrahlung (wolkenlos bis wolkenarm). Hier lagen auch die Taupunkte deutlich niedriger, verbreitet unter 15°C. Damit der größte Spread und generell recht trockene Luftschichten.

Repräsentativer Aufstieg: Prag, 18 UTC:

Aufstieg Prag, 20.05.22, 20 Uhr MESZ, Quelle: CHMI

Gut durchmischte Grenzschicht bis 800 hPa, darüber sehr labil bis zur Tropopause, overshooting tops bis knapp 13km Höhe (bestätigt die Obergrenzentemperaturen unter -70°C). Kaum Rückdrehung am Boden durch zunehmende Druckgradienten, weiterhin starke Höhenwinde (30-40kt).

Ein idealer Aufstieg also für ein hohes Starkwindpotential! Intensive Niederschlagsbildung durch die hohe Labilität. Starke Verdunstungskälte durch die trockenen Luftschichten und unterstützende Hintergrundscherung mit dem starken Höhenwind. Ist die Linie erst einmal entstanden und hält die Dynamik (großräumige Hebung durch nachschiebenden Trog) an, pflanzt sich die Gewitterlinie wie ein perpetuum mobile fort. Das Ausströmen kalter Luft aus den Gewittern reißt die davor liegende warme Luft in die Höhe und bildet neue Zellen, bis die nächtliche Abkühlung den Auftrieb verringert und/oder die Gewitterlinie zu weit aus dem Trog herausläuft. Das passierte dann östlich von Tschechien und Österreich.

Satellitenbild- und Radarkarten für den betreffenden Zeitraum

Zur generellen Übersicht der Wasserdampfkarten: hell ist hochreichende und hohe Bewölkung, grün hochreichende Gewitterbildung, dunkel sehr trockene Luft und gelb hochreichend trockene Luft.

Link zu den Wasserdampfkarten

Die clusterförmigen Gewitter entstanden alle vorderseitig der einströmenden trockenen Luft. Auffallend ist ab 12-15 Uhr MESZ, wie der breite trockene Bereich über Nordfrankreich in zwei Äste zerfällt. Eine schmale Zunge, an der unmittelbar vorderseitig die kräftigsten Gewittercluster entstehen, und einem breiten, keilförmigen Bereich, mit dem schließlich der eigentliche Luftmassenwechsel (Absinken der Taupunkte, Abtrocknung) erfolgt ist. Diese Wasserdampfgradienten sind immer wieder ein guter Indikator für den Auslösungsort der Gewitter.

Link zu den Cloud-Top-Temperature-Karten

Je niedriger (rötlicher) die Wolkenobergrenzentemperatur, desto stärker der Auftrieb und die Konvektion. Überschießende Gewitterwolken durchstoßen die Tropopause und kommen in die wärmere Stratosphäre, daher gibt es manchmal wärmere Zonen umgeben von kälteren („cold-ring shape, V shape“). Auch hier werden alle drei Zonen sichtbar. Die deutlich niedrigere Wolkenbildung über Norddeutschland, die einzelnen Cluster mit den Superzellen über der Mitte und das riesige mesoskalige konvektive System über Polen und Tschechien bis Österreich mit den niedrigsten Obergrenzentemperaturen.

Link zu den Satellitenbildern des sichtbaren Kanals

Im sichtbaren Kanal sieht man die einzelnen Overshootings noch besser, die zum Teil auch mit den Zugbahnen der Tornados korrelieren. Auffallend das bessere Einstrahlungsangebot (wolkenarm) im Südosten vor der Squall line im Gegensatz zu Ostdeutschland, wo es vorher schon stärker zuzog. Gewitter propagieren häufig in Richtung der energiereichsten Luftmasse, also bei einer Südwest-Nordost-Höhenströmung eher nach Osten oder Südosten abweichend („right mover“). Damit blieb aufgrund der Luftmassenverteilung und ungestörten Einstrahlung bis Sonnenuntergang nur der Südosten und angrenzendes Tschechien für die Bildung der Squall line „übrig“.

Link zu den Radarbildern

Ich möchte vier beschriftete Radarsequenzen gesondert herausgreifen:

Radarbild am Freitag, 20.05.22, 06 Uhr MESZ, Direktlink

Die ersten Gewitter am frühen Freitagmorgen zogen über die südlichen Mittelgebirge ostwärts. Sie entstanden entlang der Warmfront des breiten Bodentiefs über Nordwestfrankreich auf der warmen Seite. Gewitter so früh am Morgen sind unabhängig der Einstrahlung, sie entstehen „elevated“, also entkoppelt vom Boden. Vom zuständigen ESTOFEX-Vorhersager wurde diese Konvektion bereits als gefährlich im Sinne von Großhagelpotential eingestuft.

850 hPa pseudopotentielle Temperatur, Bodendruck, Quelle: http://www.wetter3.de
Radarbild, 20.05.22, 17 Uhr – Superzellenoutbreak über Deutschland, Quelle: Direktlink

Ich mache einen Sprung zum Abend: Deutlich zu sehen die breitflächige Okklusion mit gebietsweise größeren Regenraten, aber ohne Blitzaktivität dort. Das Bodentief lag an der Grenze zu Niedersachsen. Von Belgien bis Niedersachsen und Thüringen entstanden zahlreiche „klassische“ Superzellen mit verdächtigen Hakenechos. Über Baden-Württemberg entstand ein optisch eher harmloser Gewittercluster mit eingelagerten stärkeren Zellen.

Radarbild um 20 Uhr MESZ – abschwächende Superzellenaktivität, intensivierende Squall line, Quelle: Direktlink

Nun wirds spannend und komplex. Die Superzellenaktivität nimmt am Abend ab, rückseitig intensiviert sich die barokline Zone, das Bodentief verstärkte sich. Die Kaltfront kam in zwei Staffeln, mit einer markanten Abkühlung, an dessen Vorderkante die Gewitter erhalten blieben, und dem eigentlichen Luftmassenwechsel, mit dem auch die Taupunkte deutlich zurückgingen. Auch die Gewitterechos über Rheinland-Pflanz, Thüringen zeigen zunehmend lineare Strukturen, d.h. die Abwinde wurden dominant, das Ausströmen stärker. Starkwinde (ohne Tornados) wurden das größte Risiko noch vor Großhagel und Starkregen.

Zu sehen sind Theta-E 850hPa/~1500m über die Farbskala , Geopotenzial 500hPa (schwarze Linien), Bodendruck (weiße Linien), relative Feuchte 700hPa (blau gestrichelt) und Wind/Strömung in 300 hPa (schwarze Pfeile), Quelle: Kachelmannwetter, Direktlink

Zu diesem Zeitpunkt lag das Bodentief westlich von Hannover, rückseitig ein kleinräumiger, aber intensiver Druckgradient. Während die Lokalmodelle die ausgeprägte Gewitterlinie dort rechneten, wo auch der Druckgradient stärker war, entstand sie dort, wo die Gegensätze am geringsten waren, dafür die produzierte Abkühlung am stärksten (von hohen 20ern und 30ern auf um 20°C und darunter).

Radarbild um 23 Uhr MESZ , Quelle: Kachelmannwetter, Direktlink

Kurz vor Mitternacht wirkt das Bild schon aufgeräumter. Die Gewitterlinie liegt schon über Tschechien (außerhalb der Reichweite der Radarstandorte Deutschlands), über Brandenburg ist ebenfalls eine Gewitterlinie entstanden mit bogenförmigen Segmenten (Line Echo Wave Pattern), was auf lokale Starkwindereignisse hinweist. Rückseitig entstehen nur noch kleinräumig starke Zellen. Über Baden-Würrtemberg bildet sich nun eine durchbrochene Linie, die auch von ICOND2 relativ konstant berechnet worden war (die Linie über Bayern und Tschechien war hingegen zeitweise nicht so gut erfasst) unmittelbar vor der zweiten Kaltluftstaffel mit dem merkbaren Rückgang der Taupunkte. Diese schleifte mit der frontparallen Höhenströmung an der Alpennordseite entlang.

Tornado Paderborn im Radar Flechtdorf, 17.10 MESZ, Doppler-Geschwindigkeit und zugehörige Radarreflektivität (17.05 MESZ)

Einzelradar Flechtdorf, Dopplergeschwindigkeit, Quelle: Kachelmannwetter, Direktlink
Einzelradar Flechtdorf, 17.05 MESZ, Kachelmannwetter, Direktlink

Eine lehrbuchhafte Dipolstruktur am Ort des Tornados, die auf starke Rotation hinweist. Im Radarbild erkennt man ansatzweise die Hakenstruktur der Superzelle sowie eine flanking line südlich davon. Auch aus den Videos von Lippstadt geht hervor, dass der Tornado „rain-wrapped“, also von einem Regenvorhang umhüllt war. Das macht ihn besonders tückisch, weil er nicht gut sichbar ist.

Hook Echo, flanking line und mutmaßlicher Ort des Tornados

Zum Schluss noch ein Bild der tschechischen Squall line im tschechischen Radar:

Radarbild am 20.05.22, 21.20 MESZ, Quelle: CHMI

Deutlich zu sehen das bogenförmige Segment in der Mitte der Squall line, korrespondierend zu den gemeldeten Orkanböen.

Radarbild Österreich (5min-Prognose aus Lizenzgründen) für Samstag, 21. Mai 2022, 01:30 MESZ, Quelle: kachelmannwetter.com (Direktlink)

Über dem Weinviertel erreichte die Squall line in Österreich die stärkste Ausprägung mit Sturmböen, nach Süden hin war sie deutlich abgeschwächter. Es fiel vor allem kräftiger Regen. Bei einer Wanderung am Folgetag im südlichen Waldviertel sah man deutlich die Folgen von Sturzbächen auf den Forstwegen, teilweise mit Unterspülungen.

Was können wir aus diesem Wetterereignis lernen?

Die schweren Unwetter über Westdeutschland mit starken Tornados entstanden nicht im Bereich der heißesten Luftmasse, sondern dort, wo die Bodenschicht feucht, die Wolkenuntergrenzen niedrig, die Richtungs- und Geschwindigkeitsscherung am stärksten und die Labilität ausreichend waren. Im Bereich der stärksten Scherung über Norddeutschland war die Luftmasse kühl und stabil geschichtet, unten trocken, oben feucht. Dazu kräftige frontale Hebung, was zwar zu einem anständigen Regenband geführt hat, aber keine einzelnen, verstreuten Gewitterzellen begünstigt. Außer in einer Gewitterlinie braucht es diese Einzelzellen mit Abstand zu Nachbarzellen, um langlebige rotierende Gewitter zu erzeugen. Und dort, wo es am heißesten war, war die Grundschicht sehr trocken, die Wolkenuntergrenzen zu hoch für Tornados, und die Inversion zu stark, um vor der Gewitterlinie überhaupt Konvektion auszulösen.

Die Quintessenz lautet also, dass eine wärmere Luftmasse, wie sie durch die Klimaerwärmung zweifellos vorliegt, nicht ausreicht, um Tornados zu erzeugen – es braucht alle vier Zutaten für starke Tornados: Feuchte, Instabilität, Hebung und starke bodennahe Scherung.

Ein weiteres Lernen ist, dass auch Lokalmodelle danebenliegen können. Wenn sie den Ausgangszustand nicht gut erfassen, heißt es aufpassen. Im Gegensatz zu früheren Gewitterlagen mit flacheren Bodentiefs (geringere Druckunterschiede) war dieses auf der „synoptisch-skaligen“ Ebene zuhause, also ein klassisches Bodentief mit Warm-, Kalt- und Okklusionsfront. Je synoptischer die Ausprägung, desto besser sprechen häufig auch die Globalmodelle an, bzw. muss man selbst synoptisch denken und sich nicht zu sehr eine „Variante“ durch das Lokalmodell vorgeben lassen.

Zusammenhang mit dem Klimanotstand?

Einzelereignisse werden immer wieder in Zusammenhang mit der Klimaerwärmung gesehen. Wir haben diese Diskussion schon oft geführt, bzw. hab ich es schon oft auf meinem Blog thematisiert, bei den Rekordschneefällen Anfang Jänner 2019, beim Tornado am 24. Juni 2021 in Tschechien, beim Tornado in Niederösterreich Anfang Mai diesen Jahres, bei den Sturmtiefs Xavier (Oktober 2017) und Friederike (Jänner 2018), sowie bei der Flutkatastrophe in Westdeutschland Mitte Juli 2021.

Die Aussagen zu einem möglichen Zusammenhang klingen immer wieder ähnlich: Das gab es schon früher, aber die Wahrscheinlichkeit steigt.

Das sagt im Grunde nichts aus, solange keine tatsächliche Häufung registriert werden kann. Bei Tornados ist das besonders schwierig zu messen, weil erst seit etwa 25 Jahren durch Internet, Smartphones, Stormchaservereinen und Forschungseinrichtungen wesentlich mehr Bewusstsein und Nachverfolgung herrscht als davor.

Starke Tornados treten in jedem Jahr auf. Tornados interessiert nicht, ob unter ihren Trichterwolken eine Großstadt oder kilometerweit Ackerboden liegt. Die alleinige Zugbahn durch eine größere Stadt ist also kein Indiz für die Klimaerwärmung. Der F4/F5-Tornado am 10. Juli 1916 in Wiener Neustadt forderte 34 Tote, ein F4-Tornado am 10.Juli 1968 in Pforzheim forderte 2 Tote. Tornados mit Todesfolge sind glücklicherweise weiterhin selten.

Die Schlüsselfrage ist also, ob die Tiefdruckgebiete stärker werden (stärkere Bodentiefs im Frühjahr und Frühsommer) oder ob die Luftmasseneigenschaften sich ändern (wärmer und instabiler), oder beides? Nun ist es durchaus üblich im Frühling, dass winterliche Dynamik auf zunehmende Labilität trifft. Das hat auch schon in der Vergangenheit immer wieder markante Tornadolagen produziert (z.B. am 23. Juni 2004 mit dem F3-T7-Tornado in Micheln, Sachsen-Anhalt). Wir sehen solche Konstellationen aber nicht bei jeder Gewitterlage. Oft ist reichlich Labilität da, aber wenig bodennahe Scherung, oder es gibt starke Scherung, aber kaum Labilität.

Der aktuelle Forschungsstand geht dahin, dass durch die Klimaerwärmung immer früher im Jahr energiereichere Luftmassen mit Gewitterpotential auftreten, zu einer Zeit, wo auch die Dynamik durch den Polarwirbel noch höher ist. Für Tornados bleiben aber Fragezeichen übrig (Taszarek et al. 2021).

Unbestritten ist aber, dass die Hitzerekorde nicht nur zunehmen, sondern auch in ihrer Dimension vorherige Rekorde in den Schatten stellen. Südtirol hatte in der Nacht auf Donnerstag eine historische Tropennacht, erstmals im Mai. Davor lag der früheste Zeitpunkt am 15. Juni, also mal eben um einen knappen Monat früher. Dazu die 41,0°C in Sevilla, ebenfalls ein neuer Mairekord.

In der Analyse vom 20.05.22, 20 Uhr MESZ, fällt ein zweiter Bodentiefkern über Ostdeutschland auf, der die Dynamik der Gewitterentwicklung (siehe Squall line um 23 Uhr MESZ) noch einmal verstärkt haben dürfte, Quelle: wetterzentrale.de

Was mich nichtsdestotrotz fasziniert, ist alleine diese Kombination aus kleinräumig starker Tiefdruckentwicklung und das zugehörig hohe Geopotential. Üblich für starke Tiefs im Frühjahr wäre ein Geopotentiel wie über Großbritannien (gelb-grün), aber nicht orange-rot, was eben die Zufuhr rekordwarmer Luftmassen aus Südwesten unterstreicht.

Es ist aber nicht gesagt, dass wir diese Wetterlagen häufiger erleben werden. In den vergangenen Jahren traten sommerliche Rekordhöchstwerte eher in Zusammenhang mit antizyklonalen Nordwestlagen auf – staubtrocken, gewitterarm und die Trockenheit und Waldbrandgefahr fördernd. Heißer bedeutet eben nicht zwangsläufig, dass es mehr Tornados gibt.

Danke an David Plavcan, Manuel Oberhuber, Lars Lowinski, Tomas Pucik und Nikolas Zimmermann für den wertvollen Input.

Nachtrag, 26.05.22, zur regionalen Squall line-Entwicklung über Österreich:

Der Grund für die spätere explosive Entwicklung im Wald- und Weinviertel war eine massive Bodenwindkonvergenz ausgelöst von drei Windsystemen:

  1. Squall line über Tschechien mit starken nördlichen Winden
  2. Cold Pool über Oberösterreich mit lokal 40-50kt Spitzen aus Südwest
  3. Südostwind im östlichen Flachland vor der Front

Über dem Wald- und Weinviertel konvergierten die drei Windsysteme, das erklärt das spätere Bogenecho.

Die Wettermodelle haben weder die Böenlinie über Tschechien noch die kräftigen Gewitter über Oberösterreich vorhergesehen, daher fehlten die „Zutaten“ für die Konvergenz nördlich der Donau und damit wurde auch die Gewitterlinie im Weinviertel nicht vorhergesagt.

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