Gewitter – Eine Einführung

Gewitter ist nicht gleich Gewitter, denn es gibt einige unterschiedliche Gewitterarten. Diese unterscheiden sich nicht nur in ihrem Aussehen und ihren Begleiterscheinungen, sondern auch in den Bedingungen, unter welchen sie entstehen. Die nachfolgende Einführung soll einen kurzen Überblick hierüber geben. Der Fokus liegt allerdings auf dem letzten Teil – den Superzellengewittern.
Voraussetzung für die Gewitterbildung ist die Konvektion, die nun zu allererst beschrieben werden soll:
Damit sich Gewitter bilden können, muss die Luft der Atmosphäre mit zunehmender Höhe kälter werden. Man spricht dabei auch von einer potentiell instabilen Schichtung der Atmosphäre. Diese Temperaturabnahme mit der Höhe (=Temperaturgradient, eng. lapse rate) sollte über 0.65 K/100 m liegen; der Grund folgt später. Steigt feuchtwarme Luft von den unteren Luftschichten der Atmosphäre (meist aus der sog. Grundschicht) auf, kühlt sie trockenadiabatisch mit ~ 1 K/100 m ab, solange noch keine Kondensation von Feuchte stattfindet. Irgendwann hat sich die Luft so weit abgekühlt, dass die in ihr enthaltene Luftfeuchtigkeit beginnt auszukondensieren (= LCL für Lifting Condensation Level). Da es Energie in Form von Wärme gebraucht hat, um das Wasser zu verdampfen und in die Gasphase zu bringen, setzt die Kondensation der Feuchtigkeit nun wiederum Wärmeenergie frei. Es handelt sich hierbei um die sog. latente Wärme. Diese Wärme wirkt der Abkühlung der Luft beim Aufsteigen etwas entgegen. Sie kühlt daher nun nicht mehr mit 1 K/100 m ab, sondern nur noch mit ca. 0.65 K/100 m (sog. feuchtadiabatischer Aufstieg). Jetzt kommt wieder die bereits angesprochene Temperaturabnahme der Atmosphäre ins Spiel. Ist sie größer als 0.65 K/100 m, hat dies wiederum zur Folge, dass die aufsteigende Luft wärmer wird als ihre Umgebung, denn die Temperaturabnahme ist größer als die Abkühlung durch das Aufsteigen. Wärmere Luft hat eine geringere Dichte und steigt daher weiter auf. Dieser Auftrieb ist die Grundvoraussetzung für die Bildung des Aufwindes einer Gewitterwolke (Cumulonimbus; Cb). Je ausgeprägter die Temperaturabnahme ist, desto stärker sind etwaige Gewitterzellen. Das folgende Bild zeigt einen solchen Aufwind; die Pfeile symbolisieren die warme, aufströmende Luft:
aufwind
In dem beschriebenen Stadium hat man allerdings noch keine fertige Gewitterwolke, sondern eher eine Quellwolke (Cumulus congestus). Es ist nun wichtig, dass sich die Temperaturabnahme der Atmosphäre auch bis in größere Höhen fortsetzt und nicht etwa durch warme Luftschichten unterbrochen wird. Wichtig ist vor allem der Bereich zwischen ca. 1400 m Höhe und ca. 5500 m Höhe (850 hPa – 500 hPa). Irgendwann ist alle Feuchtigkeit der Luft auskondensiert und sie erreicht nach weiterer Abkühlung die Temperatur der umgebenden Luft. Dieser Punkt (EL = Equilibrium Level) bestimmt, wie hoch die Quell- bzw. Gewitterwolken werden. Generell kann man sagen: je höher, desto stärker sind die Gewitter. Meist sind Gewitterwolken zwischen 9 und 13 km hoch. Mit ausschlaggebend ist daher auch der Feuchtegehalt der Luft: Je feuchter, desto stärker ist die Konvektion im Allgemeinen (Geschwindigkeit des Aufwindes). Wenn die Luft nicht mehr aufsteigen kann, breitet sie sich zur Seite hin aus (Tropopause). Dies führt u.A. dazu, dass die Gewitterwolken oft eine Amboss- bzw. Hammerform haben. Der entstehende sog. Eisschirm hat häufig beträchtliche Ausmaße und ist noch von weitem gut erkennbar, wie in folgenden Bildern gut zu sehen ist:

eisschirm einzel1a

Die Luft wird im Aufwind eines starken Gewitters aber unter Umständen so stark beschleunigt, dass sie aufgrund der Trägheit über das EL, die eigentliche Grenze, hinausschießen kann, bevor sie sich wieder nach unten bewegt. Dadurch entstehen sog. overshooting tops (konvektives Überschießen). Ein Beispiel eines solchen overshooting tops ist auf dem folgenden Bild zu sehen:

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Jetzt ist es aber so, dass die Luft im Regelfall nicht von allein beginnt aufzusteigen. Sie muss regelrecht dazu gezwungen werden bis zu dem Punkt aufzusteigen, an dem der restliche Aufstieg durch die freiwerdende Energie quasi zum Selbstläufer wird (LFC = Level of Free Convection). Dieser Zwang zum Aufsteigen kann auf unterschiedliche Arten geschehen: Im Sommer ist es häufig die Sonneneinstrahlung, die am Boden die Luft der Grundschicht so stark erwärmt, dass sie quasi wie eine Blase aufsteigt und dann Quell- und Gewitterwolken bildet (Auslösetemperatur). Dies passiert aufgrund der Bodenbeschaffenheit in bergigem Gelände wesentlich schneller/effektiver als im Flachland. Aufgrund dieser sog. orografischen/topografischen Effekte findet die Auslösung von Gewittern oft über dem Bergland (Schwarzwald, (Vor-)Alpen, Vogesen, schwäbische Alb….) statt. Im unteren Bild ist die typische Bildung von Quell- und Gewitterwolken an einem Sommertag über der schwäbischen Alb zu sehen. Abseits davon war der Himmel strahlend blau und wolkenlos:

orografie

Auch andere Vorgänge können für die nötige Hebung der Luft sorgen:  (left)exit-Bereiche des Jetstreams -> Divergenz -> großflächige Hebung; Konvergenzlinien; Kaltfronten; etc. Hierbei spricht man dann von sog. dynamischen Hebungsantrieben.
Die Erwärmung der Luft durch die Sonne hat auch einen erhöhten Feuchte- und Energiegehalt der Luft zur Folge. Daher treten die meisten (stärkeren) Gewitter tagsüber und hierzulande fast ausschließlich im Frühling, Sommer und Herbst auf. Bereits hier sei jedoch gesagt, dass diese Faktoren als relativ anzusehen sind. Es gibt auch durchaus ohne Sonneneinstrahlung (z.B. nachts) sehr starke Gewitter.
Was oben mit der aufsteigenden Luft beschrieben wurde, stellt den sog. Aufwindbereich einer Gewitterwolke dar. Er hat das typische knollige und blumenkohlartige Aussehen. Der Aufwind ist allerdings nicht für die Begleiterscheinungen von Gewittern am Boden verantwortlich. In jedem Gewitter bildet sich irgendwann auch ein Abwindbereich aus. Dazu kommt es, weil die feinen Tröpfchen bzw. Eiskristalle durch den Aufwind in der Schwebe gehalten werden und nicht zur Erde fallen können. Sie stoßen zusammen, wachsen und lagern mehr Wasser/Eis an. Irgendwann werden sie dann so groß bzw. schwer, dass der Aufwind nicht mehr ausreicht, um sie in der Luft zu halten. Sie fallen zur Erde und schmelzen dabei je nach Größe und Teperatur/Feuchte der umgebenden Luft voll- oder unvollständig auf. Ist der Schmelzvorgang vollständig, kommt es am Boden zu Regen. Ist er unvollständig, zu Graupel oder Hagel. Die in den Gewitterwolken herumwirbelnden Eiskristalle sind auch für die Entstehung von Blitzen verantwortlich. Die genauen Mechanismen hierbei sind jedoch nach wie vor nicht vollständig geklärt.
Der Abwind der Zellen besteht aus dem angesprochenen Niederschlag und kühler Luft, welche aus dem Wolkenturm nach unten herausströmt. Diese Luft (sog. outflow) schiebt sich am Boden unter die warme Luft und erzeugt dadurch unter Umständen wieder Hebung. Ein Gewitter kann so ein weiteres Gewitter in gewisser Entfernung auslösen (outflow getriggert; cold pools). Auch die Entstehung von sog. Downbursts kann an dieser Stelle erklärt werden:
Fällt der Abwind – d.h. der Niederschlag aus Regen/Graupel/Hagel – einer Schauer- oder Gewitterzelle auf dem Weg zum Boden durch sehr trockene Luftschichten, so verdunstet der Niederschlag teilweise (oder manchmal sogar vollständig). Bei diesem Prozess wird dem Abwind aufgrund der Verdampfungswärme thermische Energie entzogen – die Luft wird also abgekühlt. Je kälter die Luft ist, desto höher ist ihre Dichte. Die kältere Luft stürzt also noch schneller in Richtung Boden. Trifft sie schließlich auf den Boden, verursachen diese bis zu mehreren hundert km/h schnellen Fallwinde extremen Schaden. Die Winde verteilen sich dabei ähnlich dem Wasser aus einem Wasserballon, der auf dem Boden platzt, in alle Richtungen.
Da nun Aufwind und Abwind (=Gewitterzelle) beschrieben wurden, kann man zur Erklärung der unterschiedlichen Gewittertypen übergehen.
Einzelzellen
Der Aufwind der Einzelzelle bildet sich im Grunde wie oben beschrieben. Die Lebensdauer der Einzelzelle durchläuft dabei drei Stadien: Wachstums-, Reife- und Zerfallsstadium. Während des Wachstums (s. o.) fällt noch kein Niederschlag aus der Wolke. Im Reifestadium fällt der sich zunehmendbildende Niederschlag dann zur Erde und sorgt dort für Regen/Graupel/Hagel und Wind. Der fallende Niederschlag wird aber irgendwann so viel, dass er beim Herunterfallen den Aufwind bremst bzw. zerstört und damit auch den Nachschub der Gewitterzelle abschneidet. Im Zerfallsstadium regnet die Zelle sozusagen den Restniederschlag aus und löst sich danach auf. Übrig bleiben oft die Eisschirme der Zellen. Diese Cirrenschirme (Gewitterleichen) können größflächig die Sonneneinstrahlung unterbinden.
Einzelzellen sind aufgrund der oben beschriebenen Tatsachen nicht sonderlich langlebig (ca. 30-45 min.) und verursachen daher seltener größere Schäden. Typischerweise treten solche Gewitter an heißen Sommertagen auf, an denen die Höhenwinde und die Windscherung (zur Erkl. s.u.) nur schwach bzw. nicht ausgeprägt ist. Dazu muss die Auslösetemperatur erreicht werden, was meist am späten Nachmittag oder frühen Abend der fall ist. Man spricht daher auch von Hitzegewittern bzw. Luftmassengewittern (von letzterem, wenn kein Temperaturgradient in horizontaler Ausdehnung der Atmosphäre existiert). Begleiterscheinungen von Einzelzellen sind starker Regen und manchmal kleiner Hagel. Untenstehende Bilder zeigen einige Einzelzellen:

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Wie könnte man basierend auf dem Gesagten nun stärkere Gewitter konstruieren? Das Todesurteil der Einzelzelle ist der Abwind, welcher in den Aufwind fällt und ihn dadurch zerstört. Trennt man aber Auf- und Abwind, so hat man plötzlich ein deutlich besser organisiertes System, das sich nicht selbst vernichtet. Aber wie kann es zur Trennung von Auf- und Abwind kommen? Dafür benötigt man die sog. Windscherung. Darunter versteht man eine Änderung der Windrichtung und/oder Windgeschwindigkeit mit der Höhe der Atmosphäre. Ist der Wind in größerer Höhe stärker, verfrachtet er den sich bildenden Abwind sozusagen neben den Aufwind. So kann man die Entstehung von
Multizellengewittern
erklären. Bei den Multizellen gibt es wiederum einige Untertypen:
Die klassische Multizelle besteht aus mehreren Einzelzellen in unterschiedlichen Entwicklungsstadien. Es kommt meist auf einer Seite des Mulizellensystems (häufig in dem Teil, der dem Wind in den unteren Luftschichten zugewandt ist) ständig zur Neubildung von Gewitterzellen, welche dann durch den Höhenwind in eine Richtung abziehen. Die Lebensdauer der Einzelzellen ist hier zwar effektiv nicht höher, das ganze System existiert jedoch deutlich länger (u.U. mehrere Stunden). Da solche Systeme manchmal relativ ortsfest sind, kann es neben kleinem bis mittelgroßem Hagel leicht zu Überschwemmungen kommen. Ein tragisches Beispiel ist das Hochwasser im Killertal (schwäbische Alb), das drei Todesopfer forderte. Auch die Gefahr stärkerer Winde ist aufgrund des höheren Organisationsgrades einer Multizelle im Vgl. zur Einzelzelle erhöht. Die folgenden Bilder zeigen solche Mutizellen, welche aus mehreren Zellen bestehen:

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Neben dieser Art gibt auch linienförmige Multizellen. Diese bilden sich bevorzugt an Konvergenzlinien und Kaltfronten. Man spricht darum auch von Frontgewittern. Sie sind meist an dynamische Hebungsvorgänge gekoppelt und können daher zu jeder Tageszeit auch ohne Sonneneinstrahlung entstehen. Solche Linien können unter Umständen mehrere 100 km lang sein (squall line) und werden recht häufig von gröberen Begleiterscheinungen begleitet. Die folgenden drei Bilder zeigen Entstehung einer solchen Gewitterlinie. Im ersten Bild (oben links) schließt sich die Linie langsam durch große und schnell wachsende Cumulus-Wolken und im rechten Bild existiert bereits eine durchgängige Gewitterlinie. Das dritte Bild unten zeigt das typische Aussehen einer solchen Gewitterlinie aus der Nähe (shelf cloud):

linear-multi2 linear-multi3 linear multi

Wie sich ein solches Liniengewitter organisiert, zeigt das nächste Bild. In den linearen Systemen schiebt sich die kalte Luft (blaue Pfeile) des Abwindes aufgrund ihrer höheren Dichte unter die feuchtwarme Luft (rot-orange) vor dem Gewitter. Diese wird dadurch angehoben und später dem Aufwind der Gewitterlinie zugeführt. So kommt es durch das Auskondensieren der Feuchtigkeit auch zur Ausbildung der sog. shelf cloud, welche das folgende Bild zeigt:

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Der Grad der Organisation ist hier bereits recht hoch. Solange eine solche Linie auf energiereiche und potentiell instabil geschichtete Luft trifft, bleibt sie „am Leben“.
Aus linearen Multizellen bilden sich manchmal sog. Bow-Echos heraus, die oft mit starken Winden in Sturm-/Orkanstärke einhergehen. Auch ohne Bow-Echo sind solche Systeme durch starken Wind und mittelgroßen Hagel nicht ganz ungefährlich. Auch sog. Derechos sind seltene, aber sehr heftige Sonderformen eines linearen Zellkomplexes.
Je nach Größe der Multizellensysteme bezeichnet man sie auch als MCS (Mesoscale Convective System) oder MCC (Mesoscale Convective Cluster). Die genauen Kriterien für die Einordnung in ein MCS/MCC sollen hier jedoch nicht näher erörtert werden (genauere Informationen dazu gibt es hier). Das folgende Bild zeigt ein MCS von einiger Entfernung. Man kann erkennen, dass die Neubildungen bei diesem sehr großen Gewittersystem auf breiter Front erfolgen:

MCS

Bleiben noch die Königinnen unter den Gewitterzellen:
Die Superzellen
Langlebig, stark und gefährlich: Sie sind häufig für großen Hagel, schwere Sturmböen und Tornados verantwortlich.
Doch was unterscheidet eine Superzelle von anderen Gewitterzellen?
Ohne auf zu viel Theorie einzugehen sei direkt hier am Anfang gesagt: Eine Superzelle ist eine rotierende Gewitterwolke, sie besitzt eine sog. Mesozyklone (=rotierender Aufwind). Für die strenge Definition der Superzelle muss diese Mesozyklone mindestens 30 Minuten vorhanden, also persistent sein. Außerdem muss dabei mindestens ein Drittel des Aufwinds rotieren. Häufig erkennt man mit bloßem Auge die Rotation des Aufwindes. Es kommt allerdings vor, dass die Rotation nur die mittleren und/oder oberen Stockwerke betrifft, was die visuelle Erkennbarkeit wiederum recht stark beeinträchtigt. In so einem Fall kann nur das Niederschlags- bzw. Dopplerradar helfen.
Right- und Leftmover
Man unterscheidet die Superzellen zunächst nach ihrem Rotationssinn: Zyklonale Rotation (d.h. gegen den Uhrzeigersinn) bringt oft sog. Rightmover hervor. Diese Zellen weisen eine nach Rechts abweichende Zugrichtung im Vergleich zur Hauptströmungsrichtung auf. Antizyklonale Rotation (mit dem Uhrzeigersinn) liefert häufig sog. Leftmover, welche nach Links von der Zugbahn abweichen. Die Corioliskraft hat selbst zwar keinen Einfluss auf die Mesozyklone (zu kleines System), sorgt aber indirekt durch die Windfelder bzw. die daraus entstehende Windscherung dafür, dass auf der Nordhemisphäre zyklonale Rotation bevorzugt ist. Man findet in Deutschland daher öfters Situationen, in denen der Rightmover intensiver ist. Warum die rotierenden Gewitterzellen aus der normalen Zugrichtung ausscheren, ist mit Worten etwas schwer zu beschreiben (Fluiddynamik), aber auch nicht weiter wichtig.
Doch warum rotiert eine Gewitterzelle überhaupt?
Dies liegt an der Windscherung. Vereinfacht kann man sich vorstellen, dass durch die Änderung der Windgeschwindigkeit/-richtung große Luftwirbel/-walzen (vorticity) in horizontaler Ausdehnung entstehen. Diese können durch Hebung der Luft (was eine Grundvoraussetzung für jedes Gewitter ist) dann in die Vertikale gehoben werden. Besser ist es, sich diese Wirbel nicht wie in den Abbildungen als kurze und abgeschlossene, sondern als lange Walzen zu denken. Ansonsten wird die Beschreibung des Zellsplits (s.u.) sehr kompliziert. Die Windscherung/vorticity ist außerdem auch für das weitere Überleben dieser entstandenen, rotierenden Gewitterwolke nötig.
Und in welche Richtung rotieren die Zellen?
Das hängt ganz davon ab, wie die Richtungsänderung des Windes mit der Höhe aussieht. Unabhängig vom Rotationssinn ist es wichtig, dass die Windgeschwindigkeit mit der Höhe zunimmt. Hat man in bodennahen Luftschichten z.B. Wind aus südwestlicher Richtung, der mit zunehmender Höhe aber auf nordwestliche Richtung dreht, so ist die zyklonale Rotation (gegen Uhrzeigersinn) bevorzugt. Es werden vornehmlich Rightmover entstehen. Die Leftmover sind schwach oder lösen sich ganz auf. Ist die Richtungsscherung in anderer Richtung ausgeprägt (Boden: NW, 5-6000m: Süd-Südwest), ist antizyklonale Rotation begünstigt und es entstehen meist Leftmover. Die Rightmover sind schwach oder lösen sich ganz auf. Schnellen Aufschluss über genau diese Windscherung kann der Hodograph geben, welcher beim Aufstieg der Wettersonden entsteht.
Ein Verhalten, das man ebenfalls bei Superzellen finden kann, ist der sog. Zellsplit (splitting storm). Dabei entstehen aus einer Gewitterzelle durch Teilung (split) zwei Zellen: Ein Rightmover (zyklonale Rotation) und ein Leftmover (antizyklonale Rotation). Je nach Scherungsbedingungen des Windes intensiviert sich entweder der Right-/Leftmover oder beide haben ungefähr die gleiche Intensität (straight hodograph). Formal findet man eine solche Teilung oft kurz nach der Bildung der Zellen. Für eine recht vereinfachte Erklärung hierfür nimmt man wieder die bereits erwähnten und gedachten Luftwirbel in horizontaler Ausdehnung. Richtet man diese gedanklich an einer Stelle durch Hebung vertikal auf, so entsteht ein Gebilde das ähnlich aussieht wie ein umgedrehtes U. Durch komplizierte Prozesse kommt es letztlich dazu, dass sich in der Mitte (also am „Scheitel“) der Abwind bildet, welcher die „Luftwalze“ wieder nach unten drückt. Sie besitzt nun die Kontur eines M’s. Der Abwind hilft nun quasi bei der Teilung der Zelle. Durch die Rotation der „Walzen“ rotiert der Aufwind der einen Zelle zyklonal, der der anderen Zelle antizyklonal. Man findet Zellsplits allgemein jedoch auch bei bereits länger existierenden Mesozyklonen.
Eine weitere, sehr wichtige Voraussetzung für die Langlebigkeit der Superzellen ist die Tatsache, dass sie einen getrennten Auf- und Abwindbereich besitzen. Auch hierfür wird Windscherung benötigt. Wäre dies nicht gegeben, würde der entstehende Abwind in den Aufwind fallen und diesen zerstören. Die Lebensdauer wäre dann auf ca. 30 Minuten begrenzt. Hitzegewitter im Sommer haben oft keine Trennung von Auf- und Abwindbereich und sind daher meist recht kurzlebig. Durch die vertikale Geschwindigkeitsscherung des Windes ist der Aufwind einer Superzelle häufig schräg geneigt. Sowohl die Trennung von Auf- und Abwind, als auch die Neigung, sind jedoch keine Alleinstellungsmerkmale von Superzellen. Man findet diese Merkmale z.B. auch bei gut organisierten Multizellengewittern.
Superzellentypen
Bei Superzellen unterscheidet man weiterhin zwischen drei Typen: LP (Low Precipitation), HP (High Precipitation) und Klassisch. Streng genommen kann man eine Klassifizierung nur anhand von Radarsignaturen durchführen. Allerdings weisen diese Typen teilweise auch unterschiedliche optische Eigenschaften auf:
  • Die LP-Superzelle besitzt häufig eine niederschlagsfreie, rundliche Aufwindbasis. Absenkungen/Wall-clouds treten auf, sind aber im Allgemeinen weniger stark ausgeprägt. Der Aufwind erscheint oft in sich verdreht. Die Fallstreifen im Abwindbereich sind oft nur schwach sichtbar und man kann teilweise sogar ungehindert unter der Gewitterzelle hindurch sehen (-> Low Precipitation). Harmlos sind diese Zellen dennoch auf keinen Fall! Sie produzieren zwar seltener Tornados, dafür aber sehr häufig großen bis sehr großen Hagel. LP-Superzellen bilden sich fast immer isoliert und oft freistehend. In den USA treten sie häufig an sog. „dry-lines“ auf. Im Englischen bezeichnet man diese Zellen manchmal auch als „rear-flank-supercells„. Gedeutet heißt dies soviel wie: Der Aufwind der Superzelle ist auf der Hinter- bzw. Rückseite lokalisiert. Der sog. Rear-Flank-Downdraft (RFD) ist meist nur schwach ausgeprägt und trocken.
  • Die klassische Superzelle hat ebenfalls häufig eine niederschlagsfreie und rundliche Aufwindbasis. Der Abwind/Niederschlagsbereich ist jedoch intensiv und klar zu sehen. Er reicht häufig recht nahe an den Aufwindbereich heran, wodurch es zu optischen Erscheinungen wie der Tailcloud kommt.Wall-clouds sind meist gut ausgeprägt und auch gut sichtbar. Dieser Typ Superzelle produziert häufig Tornados, größeren Hagel und starke Winde (sog. Downbursts). Auf dem Niederschlagsradar ist oft ein sog. Hook-Echo zu sehen. Dies ist eine hakenförmige Radarsignatur, welche durch das partielle „Herumwickeln“ des Niederschlags aus dem Abwind um die Mesozyklone (Aufwind) zu Stande kommt (s. auch RFD). Dieser Typ entwickelt sich isoliert, kann aber gleich wie die HP-Form auch eingebettet in größere Gewittersysteme vorkommen. Der RFD ist gut ausgeprägt und recht feucht, was wiederum für die Bildung von Tornados wichtig ist (Tornadogenese).
  • Die HP-Superzelle ist optisch meist nicht zu identifizieren, da der Niederschlag hier um den rotierenden Aufwind gewickelt wird und man dadurch kaum Sicht auf die Aufwindbasis hat. Aufgrund des hohen Wassergehalts innerhalb der Zelle besitzt diese häufig eine türkis-grünliche Farbe (kein Alleinstellungsmerkmal!). Sie kann für sehr hohe Niederschlagsmengen innerhalb kürzester Zeit sorgen (Regen + kleiner bis mittelgroßer Hagel). Besonders gefährlich ist es, wenn eine solche Zelle einen Tornado produziert. Diese „rain-wrapped“ Tornados sind nur via Dopplerradar zu identifizieren. Optisch bekommt man sie erst zu Gesicht, wenn man zu Nahe dran ist (sog. bear’s cage = Bärenkäfig). Auf dem Niederschlagsradar haben solche Zellen häufig sehr stark ausgeprägte Hook-Echos oder eine Form, die an eine Niere erinnert. Im Englischen bezeichnet man diese Zellen manchmal auch als „front-flank-supercells„. Das kommt daher, dass sich der Aufwind bzw. ein Teil davon oft an der „vorderen“ Seite der Zelle befindet. Die HP-Form ist in Deutschland seltener als die LP- bzw. die klassische Form.
Speziell in Europa findet man auch noch einen weiteren Typ der Superzelle: Die sog. Low-topped- oder auch mini-Superzelle. Sie kann sich auch bei sehr geringen CAPE-Werten bilden, solange die Windscherung ausgeprägt genug ist (z.B. Frontdurchgänge im Winter). Ihre vertikale Ausdehnung ist sehr gering, weswegen sie eher selten von heftigen Wettererscheinungen begleitet wird. Die Bildung eines Tornados bei ausreichender Scherung in den unteren Schichten ist die größte Gefahr einer solchen Zelle.
Auch sei erwähnt, dass wall-clouds kein spezielles Phänomen von Superzellen sind. Sie können sich auch unter Aufwindbereichen von anderen kräftigen Gewittern bilden, sind dann aber meist nicht sonderlich langlebig.
Wann welcher Superzellen-Typ auftritt ist noch nicht vollständig geklärt. Wichtig scheint z.B. die Feuchte in den unteren Luftschichten zu sein. Ist die Feuchte gering, treten bevorzugt LP-Superzellen auf. Ist sie hoch, eher klassische oder HP-Superzellen. Auch die Höhenwinde scheinen einen Einfluss auf den Typ der Zelle zu haben (RASMUSSEN & STARKA). Übergänge zwischen den einzelnen Typen sind möglich und werden auch manchmal beobachtet (-> zyklische Superzellen). Wenn z.B. eine LP-Superzelle in „feuchtere“ Luftmassen hinein läuft, kann sie sich unter Umständen z.B. in eine klassische oder in den HP-Typ umwandeln.
Die folgende Grafik zeigt den schematischen und etwas vereinfachten Aufbau einer klassischen Superzelle von oben gesehen.

SZ Zeichnung

Die Einzelnen Komponenten sind:
  • Der Eisschirm der Zelle (hellgrau), welcher durch die starken Höhenwinde häufig weit in nördliche Richtuntgen „ausgeweht“ wird
  • Die Mesozyklone (rotierender Aufwind) als großen, dunkelroten Kreis mit zwei Pfeilen, welche die zyklonale Rotation zeigen sollen
  • Einen potentiellen Tornado als schwarzes T bzw. einem kleinen, dunkelroten Kreis. Der Tornado bildet sich häufig in der Nähe der okkludierenden Fronten (Okklusion = lila)
  • Der Bereich des Niederschlags, dargestellt in drei Intensitätsstufen (grün, gelb, orange). Ein Teil des Niederschlags kann bei ausgeprägter Rotation um den rotierenden Aufwind (Mesozyklone) partiell herumgewickelt werden, was für das Auftreten von hakenförmigen Radarechos sorgt (Hook-Echo)
  • Der FFD als hellblaue Pfeile, dessen Namensgebung man hier auch schön sehen kann: Foreward-Flank-Downdraft. Übersetzt etwa der Abwind an der vorderen Seite. Dabei bildet er zusammen mit dem Inflow und dem RFD ein quasi-Frontensystem aus, wie man es auch bei Tiefdruckgebieten findet (Tiefdruckgebiete rotieren auf der Nordhemisphäre ebenfalls zyklonal)
  • Der RFD als ockerne Pfeile, dessen bezeichnung ebenfalls klar werden sollte: Rear-Flank-Downdraft für Rückseitigten Abwind. Dieser ist i.d.R. recht trocken und kühl. Auch er sorgt für eine quasi-Kaltfront (blau). Im Bereich des RFD’s ist die Luft häufig sehr klar und Niederschlagsfrei. Bei ausgeprägten Superzellen können die RFD-Winde am Boden sehr heftig sein und für Sturmschäden sorgen. Außerdem spielt der RFD beim Entstehungsprozess eines Tornados eine große Rolle (Tornadogenese). Einige Beispielbilder von Superzellen, auf denen man den RFD erkennen kann, sind weiter unten gezeigt
  • Der Inflow als dunkelgelbe Pfeile. Er wird dem rotierenden Aufwind zugeführt und sorgt für den Nachschub an energiereicher Luft (quasi-Warmfront). Durch die beiden quasi-Kaltfronten tritt der Inflow regelrecht kanalisiert in das System hinein. An der Grenze zwischen RFD/FFD und dem Inflow bilden sich häufig Böenfronten mit Arcus-Wolken
  • Zwischen RFD und Inflow liegt auch das Versorgungsband. Dieses hat die Form von Quellwolken (Cu/Cu-con), welche quasi in das Gewitter gesaugt werden. Auch an dessen Wolkenbasis kann es zum Auftreten von Böenfronten/Arcus oder gar laminaren Schichtungen kommen. Das Spektrum reicht von nicht vorhandenem Versorgungsband bis zu vielen Kilometer langen Wolkenbändern, welche die Superzelle aus südlicher Richtung flankieren
Es sei auch darauf hingewiesen, dass sich in der Theorie zwar schön zwischen den einzelnen Typen und deren Merkmalen unterscheiden lässt, es in der Realität hingegen häufig sehr schwierig sein kann eine Superzelle, geschweige denn deren Typ zu bestimmen. Jede Gewitterzelle und jede Superzelle sieht anders aus und ein klares Muster ist selten zu erkennen. Es ist daher viel Erfahrung und der Einsatz moderner Dopplerradars nötig, um diese Einordnung zweifelsfrei machen zu können. Außerdem sind die theoretischen Betrachtungen des statischen Superzellensystems zwar oft noch halbwegs nachvollziehbar, sobald man jedoch die Dynamik und die Interaktion der einzelnen Komponenten (RFD, FFD, Mesozyklone…) beschreiben und verstehen will, wird es sehr schnell kompliziert, theoretisch und vor allem etwas unanschaulich. Hier soll daher nur der Verweis auf weiterführende Literatur (s. Links) gemacht werden, die sich u. A. mit diesem Thema beschäfigt:
Beispielbilder
Auf diesen Bildern sind einige der beschriebenen Charakteristika zu erkennen:

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Vorhersage von Superzellen

Die Vorhersage ist, wie bei allen Gewittern, sehr schwierig. Das Hauptaugenmerk liegt – neben den generellen Parametern, die für die Gewitterbildung stimmen müssen – auf der Windscherung. Für die Prognosen existieren hierfür viele Parameter, die sich z.B. auf unterschiedliche Höhen der Atmosphäre beziehen. Die sog „bulk-shear“ gibt den Gesamtbetrag der Scherung an. Damit ein Aufwind über längere Zeit rotieren kann (-> persistente Mesozyklone), wird in der Atmosphäre 0-4/0-6 km über Grund ein Scherungswert von insg. ca. 20-25 m/s benötigt. Ein weiterer guter Scherungsindikator ist die Storm Relative Helicity, kurz
SRH. Die Angabe erfolgt entweder für 0-1 km Höhe (wichtig für Tornadowahrscheinlichkeit) oder 0-3 km Höhe und in der Einheit m²/s². Es handelt sich quasi um die von einer zyklonal rotierenden Superzelle nutzbare Windscherung der Atmosphäre, die sog. streamwise vorticity. Liegt die 0-3 km SRH über 150 m²/s², so sind Superzellen möglich. Bei höheren Werten wird die Wahrscheinlichkeit für die Bildung einer Mesozyklone immer größer. Eine kurze wissenschaftliche Übersicht zum Thema Superzellen und Windscherung gibt es unter diesem Link.
CAPE ist ebenfalls eine wichtige Zutat für alle Gewitter. Die Convective Available Potential Energy gibt die potentielle Energie der Luft wieder. Je höher, desto stärker sind die entstehenden Gewitter/Superzellen im Allgemeinen (wobei CAPE alleine noch nichts über die Gewitterwahrscheinlichkeit aussagt!). Für die Bildung von langlebigen und daher fast immer starken Superzellen sollten die CAPE-Werte hoch genug sein (2000 J/kg +). Es sei aber nochmals gesagt, dass hohe CAPE a) kein Gewittergarant ist und es b) auch starke Gewitter (inkl. Superzellen) bei relativ geringen CAPE-Werten geben kann!
Auch für die Angabe der CAPE gibt es einige Parameter (z.B. ML-CAPE = Mixed Layer-CAPE). Neben vielen weiteren wichtigen Parametern für die Vorhersage von Gewittern und Superzellen kann auch SRH und CAPE aus den Daten der Sondenaufstiegen ermittelt werden. Da die Sondenaufstiege jedoch nur aktuelle Daten liefern und daher meist keine mittelfristige Vorhersage erlauben, spucken viele Wettermodelle (GFS, WRF etc.) auch bereits Tage im Voraus diese Werte aus.
Ein „Faktor“, der ebenfalls noch erwähnt werden sollte ist der sog. Deckel. CAPE, Scherung und die anderen Gewitteridices können noch so hoch/gut sein: wenn kein Auslöser da ist, gib es auch keine Gewitter. Eine solche Inhibition der Konvektion (CIN) wird oft als Deckel bezeichnet; Wie bei einem Schnellkochtopf, der unter Druck steht. Der Deckel verhindert, dass es zu einer schnellen und vor allem verbreiteten Gewitterauslösung kommt. Stattdessen entstehen an den Stellen, wo der Deckel doch durchbrochen wird (z.B. orographische Effekte über den Bergen) eher einzelne, dafür aber oft heftige Gewitterzellen. Die stärksten Superzellen entstehen oft in genau so einer Umgebung und sind daher auch isoliert und freistehend. Gewitterlagen, bei denen die Indices für schwere Gewitter sprechen, es aber einen recht starken Deckel gibt, nennt man auch „loaded gun situation„.
Gefahren
Gefürchtet sind Superzellen speziell deswegen, weil sie Tornados produzieren können. In den USA sterben jedes Jahr viele Menschen durch Tornados. Dies liegt daran, dass Superzellen dort häufiger und im Regelfall intensiver/langlebiger sind als in Europa. Die Parameter sind im mittleren Westen (Great Plains; Tornado-Alley) oft so günstig, dass es zu regelrechten Tornadoserien (-outbreaks) kommt.
Aber auch in Deutschland und Europa treten jedes Jahr viele Superzellen auf. Viele Tornados in Deutschland sind zwar nicht-mesozyklonalen Ursprungs, wenn sie jedoch auftreten, können sie auch hierzulande verheerende Folgen haben. Dies beweist z.B. ein historischer Fall eines Tornados in Pforzheim, bei dem es zwei Tote gab. Eine Liste der Tornado(-verdachts)fälle in Deutschland gibt es hier. Die Bildung eines Tornados bei bestehender Mesozyklone (Tornadogenese) ist noch einmal ein großes und sehr komplexes Feld für sich, auf das hier nicht weiter eingegangen werden soll.
Superzellen werden aber auch hierzulande meist von Hagel, sehr starken Niederschlägen sowie heftigem Wind begleitet. Diese Kombination reicht auch ohne Tornado aus, um großen Schaden an der Vegetation und Gebäuden zu verursachen.
Physikalisch betrachtet sind die geschilderten Vorgänge äußerst komplex und oft nur schwer vorstellbar. Trotzdem sollte klar geworden sein, dass Superzellen einen extrem hohen Grad an Organisation haben und etwas wirklich Besonderes sind. Für die Wetterfotografen kommt hinzu, dass dieser Gewittertyp sehr oft fotogen und geradezu ästhetisch ist.
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