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23.07.2021

Wetterlexikon | Gewitter: Faszination und Gefahr!

Wetterlexikon

Gewitter: Faszination und Gefahr! 

Das Steirische Randgebirge, der Gewitter-Hotspot Österreichs

Autor: Mag. Christian Pehsl, ZAMG Graz

Hier erfahren Sie Wissenswertes über die Entstehung und die unterschiedlichen Arten von Gewittern. Des Weiteren wird ein Einblick in die Vorhersage dieses faszinierenden – nicht selten auch gefährlichen – Wetterphänomens gegeben. Die Fragestellung, warum das Steirische Randgebirge und daran angrenzende Regionen des südöstlichen Alpenvorlandes als Gewitterhotspot Österreichs gelten, runden den Bericht über eines der interessantesten Naturschauspiele in der Atmosphäre ab.

Starkregen, Sturmböen, Hagel und Blitzschlag – innerhalb von Sekunden können Gewitter eine Vielzahl an Gefahren mit sich bringen und zu Überflutungen und Sturmschäden führen. Vielerorts sind Gewitter aber lebensnotwendig, weil diese den erforderlichen Regen für die Vegetation, die Tierwelt und auch für den Menschen bringen. Doch warum treten Gewitter in manchen Regionen der Erde gehäuft auf und anderswo überhaupt nicht? Warum sind Gewitter speziell auch in Österreich vorwiegend in der warmen Jahreszeit beobachtbar? Hierfür müssen wir klären, wie Gewitter überhaupt entstehen.

Zutaten für die Entstehung von Gewittern

Als Gewitter wird ein meteorologisches Phänomen bezeichnet, bei dem es blitzt und donnert. Durch elektrische Ladungsunterschiede innerhalb von Wolken oder zwischen Wolken und der Erde kommt es zu Entladungsprozessen (Blitzen). Der dem Blitz folgende Donner wird durch den starken Temperaturanstieg und der explosionsartigen Ausdehnung der Luft im Bereich des Blitzkanals verursacht – ein Gewitter ist geboren! Damit die erforderlichen Ladungsunterschiede und die bis zu 12 Kilometer hochreichenden Gewitterwolken überhaupt entstehen können, ist eine große Dynamik und Energie in der Atmosphäre notwendig. Grundvoraussetzungen dafür sind drei Zutaten.

Hohe Feuchtigkeit der Luft

Ohne ausreichend Feuchtigkeit speziell in bodennahen Luftschichten können weder hochreichende Gewitterwolken entstehen noch kann bei der Wolkenbildung entstehende latente Wärme zu starken Vertikalbewegungen führen. Latente Wärme ist die Energie, die bei Phasenübergängen frei oder gebunden wird. Diese wird zum Beispiel auch Kondensationswärme genannt (wie in Abbildung 1). Um diesen Prozess anschaulicher zu machen, ist es hilfreich, sich ein theoretisches ‚Luftpaket‘ vorzustellen. Steigt unser Luftpaket auf, kommt es in Höhen wo der Luftdruck niedriger ist als am Boden. Dadurch dehnt sich das Luftpaket aus, und durch diese Ausdehnung kühlt sich die Luft ab. Ab einem gewissen Punkt ist es so kalt, dass der Wasserdampf (Feuchtigkeit) im Luftpaket zu kondensieren beginnt. Dabei wird wiederum Wärme freigesetzt. Warum das wichtig ist, erklären wir in den nächsten Punkten.

Labil geschichtete Atmosphäre

Eine labile Luftschichtung sorgt für eine kältere Umgebungsluft im Vergleich zur Temperatur eines gehobenen und kondensierten Luftpakets. Oder anders herum: das aufsteigende Luftpaket ist im Falle einer labilen Luftschichtung wärmer als die Umgebungsluft, und kann so wie ein Heißluftballon steigen. Der entstandene Auftrieb trägt zum weiteren Niederschlagsentstehungsprozess, wie oben erklärt, bei. Zudem treten bei starken Vertikalbewegungen Reibungseffekte unterschiedlicher Niederschlagsteilchen auf. Die Reibungseffekte führen zu Ladungstrennungen und nachfolgenden Entladungsprozessen (Blitze).

Hebungsprozesse (Auslösemechanismus)

Damit Luftpakete in kältere Umgebung kommen und in weiterer Folge kondensieren und frei bzw. von selbst weiter aufsteigen können, müssen diese zuerst gehoben werden. Dies kann entweder dynamisch durch Konvergenzen (Zusammenströmen von Luft, wodurch ein Teil gezwungen wird aufzusteigen), erzwungene Hebung durch die Anströmung von Bergen (Orographie) und Fronten (speziell Kaltfronten, wo kalte Luft sich unter warme Luft schiebt und die warme Luft rasch steigt) oder thermisch bedingt durch starke Sonneneinstrahlung und Erwärmung bodennaher Luftschichten erfolgen. Das Niveau, ab dem ein gesättigtes und gehobenes Luftpaket stets wärmer ist als die Umgebungsluft, nennt man „Niveau der freien Konvektion“, im Englischen „Level of free Convection“ (LFC).

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Abbildung 1: Schematischer Schnitt durch eine Gewitterwolke. Quelle: Wissensplattform eskp.de, Lizenz: CC BY 4.0.

Auf Basis dieser drei Zutaten lassen sich schon viele Fragen in Bezug auf die Entstehung von Gewittern beantworten. Es ist nun klar, dass Gewitter bevorzugt in der warmen Jahreszeit entstehen, weil warme Luft viel mehr Feuchtigkeit halten kann als kalte. Zudem werden Gewitterentwicklungen in Hochdruckgebieten (Anm.: Tendenz für absinkende Luftbewegungen und stabiler Schichtung) gehemmt, während es bei Annäherung eines Tiefdruckgebietes mit Frontdurchgang bevorzugt zu Gewittern kommen kann.

Neben dem Entstehungsprozess spielt auch die Stärke bzw. der Organisationsgrad von Gewittern eine wichtige Rolle für die Vorhersage und Ausgabe von Wetterwarnungen. Die grundlegende Unterscheidung erfolgt dabei in drei Kategorien. Für das Verständnis der Entstehung dieser unterschiedlichen Gewitterarten ist noch der wichtige Begriff der Windscherung zu erklären. Hierbei handelt es sich um die Änderung der Windgeschwindigkeit und -richtung mit der Höhe. Herrschen allgemein geringe Luftdruckgegensätze vor, so sind meist auch die Windgeschwindigkeiten in der Höhe gering, die Windscherung somit schwach. Bietet die Wetterlage große Dynamik, wie etwa bei Tiefdruckeinfluss, Fronten und starken Höhenströmungen, so ist auch mit hoher Windscherung zu rechnen. Als Hauptkenngröße für die Windscherung werden meist die Windverhältnisse in Bodennähe mit denen in etwa 5 bis 6 Kilometern Höhe verglichen.

Gewitterarten

Einzelzellen

Hierbei handelt es sich um isolierte, einzelne Gewitterzellen, die einen klassischen Ablauf in mehreren Phasen vollziehen und bei eher schwacher Windscherung auftreten. In der Wachstumsphase entwickelt sich die Gewitterwolke (Cumulonimbus) durch Aufwinde, Niederschläge gibt es noch nicht. Im Reifstadium sind die Niederschlagsteilchen schon ausreichend groß und schwer, sodass sich ein Abwindbereich durch den fallenden Niederschlag bildet. Der Auf- und Abwindbereich der Gewitterwolke ist aufgrund der schwachen Windscherung nicht getrennt, der fallende Niederschlag schwächt dadurch den Aufwind und die Gewitterwolke unterbindet somit selbst ihr weiteres Wachstum. Im Auflösestadium existiert nur mehr ein Abwindbereich durch Niederschlag, die Gewitterwolke regnet sich aus. Im Allgemeinen dauert der Lebenszyklus einer Einzelzelle 30 bis 60 Minuten.

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Abbildung 2: Einzelzelle - von links nach rechts: Wachstums-, Reife- und Auflösestadium. Quelle: Wikimedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thunderstorm_formation.jpg), Lizenz: CC 0 (Public Domain).

Multizellen

Multizellengewitter sind größere und langlebigere Gewitterkomplexe und bestehen prinzipiell aus aneinandergereihten Einzelzellen. Voraussetzungen sind neben ausreichend Energie bzw. Feuchtigkeit der Luftmasse auch hohe Windscherungswerte, um einen getrennten Auf- und Abwindbereich der einzelnen Zellen zu ermöglichen. Die Böenfront (herabstürzende Luft, im Englischen „Outflow“), die durch den starken Niederschlag der Gewitterzellen entsteht, löst dabei in Zugrichtung des Systems die Bildung neuer Zellen aus. Dadurch kann sich ein Multizellenkomplex bzw. eine Multizellenlinie mitunter über mehrere Stunden hinweg halten und über weite Regionen Starkregen, Sturmböen und Hagel bringen. Die notwendigen Bedingungen für die Ausbildung von Multizellengewittern sind im Vorfeld oder unmittelbar im Bereich einer Kaltfront im Sommerhalbjahr gegeben.

Superzellen

Superzellengewitter stellen die stärksten und eindrucksvollsten Gewittererscheinungen dar. Charakteristisch für Superzellen ist der rotierende Aufwindbereich (Mesozyklone), der aufgrund ausreichend hoher Geschwindigkeits- und Richtungsscherung entsteht und strikt von den Abwindbereichen der Zelle getrennt ist. Hohe Feuchtigkeit und eine hohe Labilität sind ebenso essentiell für die Bildung dieses beeindruckenden Wetterphänomens. Superzellen können einerseits in Multizellenkomplexen eingelagert sein, andererseits aber auch als völlig eigenständige Gewitterzellen in Erscheinung treten. Da sie in diesem Fall sämtliche Energie der umgebenden Luft für sich alleine beanspruchen können, sind die Auswirkungen als eigenständiges Gebilde mitunter noch stärker. Die möglichen Begleiterscheinungen beim Durchzug einer Superzelle reichen von Starkregen, großem Hagel bis hin zu extremen Sturmböen. Auch ein Großteil der weltweit auftretenden Tornados steht im Zusammenhang mit Superzellen.

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Abbildung 3: Superzelle mit rotierendem Aufwind entkoppelt vom Abwind der Niederschlagsbereiche. Quelle: Wikimedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Superzelle.svg), Bearbeitung (Begriffe entfernt), Lizenz: CC BY-SA 3.0.

Vorhersage von Gewittern

Gewitter stellen für Meteorologen/-innen schon seit jeher eine große Herausforderung in der Prognose dar. Die mitunter großen Gefahren, die von heftigen Gewittern ausgehen können, machen eine möglichst exakte Vorhersage aber äußerst wichtig. Gerade die oftmals sehr lokal auftretenden Auswirkungen von Schwergewittern erschweren die Arbeit des/der Meteorologen/-in aber beträchtlich.

Ähnlich wie in sämtlichen Bereichen, in denen neben menschlichem Know-how auch enorme Computerleistungen notwendig sind, hat sich in den letzten Jahrzehnten auch bei der Vorhersage von Gewittern viel verbessert. War es in den 2000er Jahren noch unmöglich, Gewitterentstehungsprozesse in Wettermodellen direkt zu integrieren, so gibt es mittlerweile Modelle mit einer ausreichend hohen horizontalen und vertikalen Auflösung, um Gewitterwolken zu simulieren. Die Aufgabe des/der Meteorologen/-in hat sich damit zwar etwas erleichtert, die hohe Sensibilität und Komplexität von Gewitterlagen erfordert aber nach wie vor menschliche Expertise.

Die Vorhersage von Gewittern kann grob in zwei Zeitbereiche eingeteilt werden:

Kürzestfristbereich bzw. Nowcasting

Hierbei handelt es sich vorwiegend um Prognosen für die nächsten 6 Stunden. Dabei spielen Wettermodelldaten eine untergeordnete Rolle. Vielmehr wird auf aktuelle Analysen oder Daten von Wetterradaranlagen, Satelliten, Messstationen und Blitzortungssystemen zurückgegriffen. Die Meteorologin/der Meteorologe beobachtet dabei schon vorhandene Gewitterzellen oder Gewitterlinien und verlagert diese aufgrund vergangener Bewegungsvektoren in die Zukunft. 

Akutwarnungen bei großen Freiluftveranstaltungen, Warnungen vor Gewitterböen an Badeseen oder auch vor der Verlagerung eines heftigen Gewitterclusters in dicht besiedeltes Gebiet stellen nur einen Auszug der speziellen Tätigkeiten der/des „Nowcast“-Meteorologin/Meteorologen dar.

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Abbildung 4: Radarbilder einer Gewitterlinie (zeitliche Abstand ca. 1 Stunde) mit vom Meteorologen manuell hinzugefügten Verlagerungsvektoren. Quelle: ZAMG. Dieses Material ist lizenziert unter folgender Lizenz: CC BY-NC-ND 4.0.

Kurzfristbereich

Im Kurzfristbereich werden Gewitterprognosen ab dem Nowcasting-Bereich bis hin zu maximal 72 Stunden in die Zukunft abgehandelt. Neben dem direkten Modelloutput (Niederschlag, Windböen, Blitzaktivität) von globalen Wettermodellen und auch konvektionsauflösenden Lokalmodellen spielen abgeleitete, physikalische Größen basierend auf dem Wissen über die Entstehung, Schwere und Organisation von Gewittern eine bedeutende Rolle.

Im Absatz „Zutaten für die Entstehung von Gewittern“ wurde über eine labil geschichtete Atmosphäre mit ausreichender Luftfeuchtigkeit gesprochen. Die in der Gewittervorhersage wohl wichtigste Kenngröße CAPE (Convective Available Potential Energy – übersetzt aus dem Englischen „für Konvektion zur Verfügung stehende potentielle Energie“) ist ein Maß für diese Eigenschaften der Atmosphäre. Berechnet aus den Temperatur- und Feuchteprofilen ergibt ein hoher CAPE-Wert (Einheit J/kg) ein hohes Potential für heftige Gewitter.

Eine weitere Kenngröße, die insbesondere für den Organisationsgrad wichtig ist, ist bereits bekannt – die Windscherung (Einheit m/s). Wie bereits erwähnt spielt die Windänderung zwischen bodennahen Schichten und 5 bis 6 Kilometern Höhe eine gewichtige Rolle. Aber auch die Betrachtung anderer Windscherungswerte, wie z.B. der Scherung zwischen Boden und etwa 1 Kilometer Höhe, ist für die Einschätzung von unwetterartigen Wettererscheinungen im Zuge von Gewittern (z.B. Tornados) relevant.

Gebiete, in denen sich hohe CAPE-Werte mit hoher Scherung überlagern, sind jene Bereiche, in denen die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Gewittern mit Unwettercharakter am höchsten ist. Anhand der allgemein vorherrschenden Wetterlage und möglicher Hebungsprozesse (Frontdurchgang, Tiefdruckeinfluss, Föhn …) kann auf Basis einer Warnmatrix das Unwetterpotential abgeschätzt und gegebenenfalls Warnungen ausgegeben werden (vgl. Abbildung 5, Warnstufen mit steigender Gefahrenlage in Grün – Gelb – Orange – Rot).

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Abbildung 5: Warnmatrix (links), Prognosekarte (rechts) mit CAPE (Farbtöne) und Scherung (grau schraffiert); Gebiete mit erhöhter Gewitter- bzw. Unwettergefahr liegen in Kärnten, da sich CAPE und Scherung überlagern. Quelle: ZAMG. Dieses Material ist lizenziert unter folgender Lizenz: CC BY-NC-ND 4.0.

Der Gewitter-Hotspot Österreichs

Die Gewitterverteilung in Österreich ist keineswegs homogen. Es gibt Regionen, in denen Gewitter eher selten anzutreffen sind und Regionen, in denen man in den Sommermonaten durchschnittlich an jedem dritten Tag mit einem Gewitter rechnen muss.

Die Blitzstatistik, basierend auf dem Blitzortungssystem von ALDIS (https://www.aldis.at/), lässt eindeutig die Steiermark als blitzreichstes Bundesland erscheinen. Die vier Bezirke (Weiz, Graz-Umgebung, Voitsberg, Graz-Stadt) mit der höchsten Blitzdichte Österreichs liegen allesamt in der Steiermark. Durchschnittlich ist in diesen Regionen mit 2,5 bis 2,9 Blitzen pro Quadratkilometer und Jahr zu rechnen. Damit schlägt der Blitz beispielsweise im Bezirk Weiz dreimal häufiger ein als in den Bezirken Feldkirch, Landeck oder Horn.

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Abbildung 6: Blitzdichte in Österreich nach Bezirken. Copyright: OVE Service GmbH/ALDIS.

Die Gründe, warum es in den Bezirken entlang des Steirischen Randgebirges so oft blitzt, lassen sich anhand unseres Wissens aus den vorigen Absätzen gut herleiten.

Hebungsprozesse

Aufgrund der zahlreichen Berge und Hügel in dieser Region werden aufsteigende Luftbewegungen durch Anströmung bzw. Konvergenzen entlang der Gebirgszüge erzwungen. Somit können Luftpakete bevorzugt kältere Umgebungsluft erreichen und in weiterer Folge durch den erhaltenen Auftrieb selbstständig weiter aufsteigen und Gewitterwolken bilden. Aber auch thermisch bedingte Hebungsprozesse – hervorgerufen durch Sonneneinstrahlung – führen durch die erhöhte Topographie hier leichter zum Erreichen des Niveaus der freien Konvektion, als über der Ebene bzw. dem Flachland.

Luftfeuchtigkeit

Die Berge und Hügel im Steirischen Randgebirge sind zwar hoch genug, um Hebungsprozesse zu begünstigen, allerdings deutlich niedriger als die Zentralalpen und dadurch stark geprägt von Wiesen- und Waldflächen, die für genug Luftfeuchtigkeit sorgen. Durch die geringeren Seehöhen ist zudem die winterliche Schneedecke im Allgemeinen recht bald im Frühjahr geschmolzen, sodass die Feuchte der Vegetation und des Bodens rasch für Gewitterentwicklungen zur Verfügung steht. Die allgemein oft höhere Luftfeuchtigkeit im Süden Österreichs durch die Nähe zur Adria spielt ebenso eine gewichtige Rolle hinsichtlich der Entwicklung von Gewittern und Unwettern.

Mit den in höheren Schichten allgemein dominierenden Westwinden können die über dem Randgebirge entstehenden Gewitter schließlich ein Stück weit in das südöstliche Alpenvorland verlagert werden. Dieser Umstand führt dazu, dass auch der Bezirk Graz-Stadt trotz fehlender Berge zu einem der blitzreichsten Gebiete Österreichs zählt.

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Abbildung 7: Topographie Steiermark, markiert Steirisches Randgebirge. Quelle: Karte bereitgestellt von NordNordWest (Daten Karte: OpenStreetMap, SRTM30 v.2). Bearbeitung ZAMG: Ergänzung Städte und Städtenamen, Markierung Steirisches Randgebirge. Lizenz: CC BY-SA 2.0.

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