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Bestimmung der Intensität von Tornados oder Downbursts

Die Bestimmung der Tornado oder Downburst-Intensität ist eine schwierige Aufgabe, da sie meist anhand der bei einem Sturm aufgetretenen Schäden vorgenommen wird - nur sehr selten gibt es verlässliche Messungen der Windgeschwindigkeit. Eine Einordnung erfolgt entweder in die Fujita-Skala (F-Skala) oder die TORRO-Skala (T-Skala), bzw. in beide Klassifikationen. Die Skalen reichen von F-2 bis F6 bzw. T-4 bis T13. Allerdings sind nur die Werte F0 bis F5 oder T0 bis T11 wirklich gebräuchlich. Die Tornados mit negativen Skalenwerten sind so schwach (und kurzlebig?!), dass sie keine Schäden verursachen. Für die Existenz von F6 Tornados (T12, T13) gibt es bisher kaum Beweise, zudem liegt etwa an der Grenze von F5 zu F6 ein Maximalwert für Tornado-Windgeschwindigkeiten, der sich aus Energiebilanz-Betrachtungen ergibt.

Die obige Tabelle (zum Vergrößern anklicken) gibt einen Überblick über die F- und T-Skala, die zugehörigen Windgeschwindigkeiten, und typische Schadensätze S für Leicht- (S-) und Massivbauten (S+) in Mitteleuropa. Die in der Versicherungswirtschaft oft verwendete Größe "Schadensatz" bezeichnet das Verhältnis Schaden zu Neuwert in Prozent. Diese für Mitteleuropa angepassten Werte wurden in Zusammenarbeit mit der ermittelt (vgl. Dotzek et al., 2000).

Wichtig sind in der Tabelle auch die Begriffe zur groben Klassifikation der Tornado-Intensität: Schwach (weak; F0, F1), stark (strong; F2, F3) und verheerend (violent; F4, F5). Tornados einer Intensität von F2 oder mehr serden als signifikant (significant) bezeichnet, Tornados mit negativer F- oder T-Skala als unterkritisch (subcritical)

Verbale Beschreibung der TORRO und Fujita Skala für Mitteleuropa

Um festzulegen, welche typischen Sach-, Gebäude- und Vegetationsschäden bei den verschiedenen Abstufungen der F- oder T-Skala auftreten, benötigt man eine verbale Beschreibung dieser Schäden. Eine einfache Übernahme der für die USA gültigen Beschreibung ist für Mitteleuropa mit seiner besseren Bausubstanz nicht zielführend. Informationen zur Schadenanalyse in den USA findet man ausführlich im Leitfaden des

Hier wird eine für Mitteleuropa angepasste verbale Beschreibung der TORRO- und Fujita-Skalen als HTM oder PDF bereit gestellt, mit der die Intensität von Tornados und Gewitterfallböen (downbursts) bestimmt werden kann. Auch die Schadensätze (loss ratios) S werden für Leicht- (S-) und Massivbauten (S+) mit angegeben (vgl. Dotzek et al., 2000).

Eine englischsprachige Beschreibung der T-Skala gibt es bei . Sie ist der verbalen Beschreibung der F-Skala sehr ähnlich, wie sie z.B. von Fujita (1981) angegeben wurde. Solche eher für die USA gültigen Beschreibungen der F-Skala gibt es auch beim und auf vielen weiteren Webseiten in den USA.

Berücksichtigung von Bausubstanz und Vegetations-Charakteristika

Die in der obigen Tabelle und ihrer verbalen Beschreibung vorgestellte TORRO- und Fujita-Skala enthielt schon typische Werte der Schadensätze S (Dotzek et al., 2000). Dies ermöglicht bereits eine für Mitteleuropa angepasste Berücksichtigung der Gebäudestruktur bei der Bestimmung der Tornado- oder Downburst-Intensität. Die folgende Grafik gibt einen anschaulichen Überblick dieser Schadensätze S für Mitteleuropa:

Man sieht, dass ab T5/F2 bis zu T8/F4 der stärkste Anstieg bei den Schäden auftritt, dass aber andererseits selbst ein F5 Tornado ein massives Gebäude in Europa nicht zu 100% zerstört - es gibt bei Tornados oder Downbursts keinen besseren Schutz als ein solide gebautes Haus!

Die folgende Tabelle stellt einen anderen Ansatz dar, die Festigkeit von Gebäudestrukturen in der Fujita Skala zu berücksichtigen (Fujita, 1992): Die sogenannte f-Skala Matrix.

Obwohl Fujitas Ansatz mit der f-Skala vielversprechend ist, hat sich diese Entscheidungsmatrix bis heute nicht durchsetzen können.

Vegetationsschäden hat Hubrig (1999, 2001) bereits untersucht. Da die Festigkeit z.B. von Bäumen weltweit mit Sicherheit viel einheitlicher ist als die von Gebäuden, ist eine wissenschaftliche Darstellung der Analyse von Vegetationsschäden sehr wichtig und wünschenswert. In Europa wird traditionell seit dem 19. Jahrhundert großes Gewicht auf die Erfassung der Waldschäden durch Orkane und Unwetter wie Tornados und Downbursts gelegt. Eine wesentlich erweiterte Darstellung hierzu ist derzeit in Arbeit (Hubrig, 2003).

Auf grundsätzliche Fragen der Bausubstanz und der Vegetation bei der Ermittlung der Tornado- oder Downburst-Intensität geht auch der aktuelle Leitfaden des US-Wetterdienstes ein. Die typische Holzhaus (framehouse) Bauweise der USA ist in Europa jedoch bedeutungslos.

Tornado-Intensitätsverteilung

Die Tornado Intensitätsverteilung p(F) oder p(T) gibt an, wieviel Prozent der Tornados schwach (F0, F1), stark (F2, F3) oder verheerend (F4, F5) sind. Sie ist damit eine zur Risikoabschätzung und zur klimatologischen Analyse extrem wichtige Größe! Mit dieser Verteilung kann die erwartete Gesamtzahl aller Tornados pro Jahr bestimmt werden, sowie das Risiko bzw. Wiederkehrintervall für Tornados einer vorgegebenen Stärke.

Erst seit dem Jahr 2001 liegt durch Analyse der TorDACH-Daten eine solche Intensitätsverteilung für Tornados in Deutschland vor.

Derzeit haben 417 Tornados (d.h. etwa 50% aller Fälle) eine F- oder T-Einstufung: Das Histogramm anhand der Fujita-Skala (rot) oder der doppelt so feinen TORRO-Skala (blau) gibt für Tornados ab F1-Intensität eine ungefähr lin-log Wahrscheinlichkeitsdichte wieder. Eine Ausnahme stellen nur die sehr schwachen F0 Tornados dar. Für F größer als 1 ist das mittlere Verhältnis p(Fn+1)/p(Fn) etwa 0.30. So wie im Mittleren Westen der USA deutet dieser Wert auf eine Superzellen-Gewitter dominierte Intensitätsverteilung hin. Die T-Skala Einstufungen zeigen eine etwas weniger homogene Steigung für T-Werte größer T2. Durch die doppelt so hohe Anzahl von Intensitätsklassen im Vergleich zur Fujita-Skala wären zweimal so viele T-eingestufte Tornados nötig, um eine Verteilung zu erzeugen, die so glatt ist wie die derzeitige F-Skala Verteilung.

Man beachte, dass die lin-log Verteilung mit dem Wert der F-Skala auch bei den US-amerikanischen Tornados auftritt! Der verbreitete Mythos "Tornados in Europa sind stets schwach, US Tornados sind immer stark oder verheerend" ist also vollkommen falsch. Der einzige relevante Unterschied ist hier die Gesamtzahl der Ereignisse pro Jahr: Falls etwa 0.2 % aller Tornados F5 Intensität haben, und die USA von ca. 1100 Tornados im Jahr heimgesucht werden, dann treten im Mittel dort ungefähr 2 F5 Tornados jährlich auf. In Deutschland werden nur etwa 10 bis 20 Tornados im Jahr beobachtet, so daß es hier mehrere Jahrhunderte dauern kann, um überhaupt ein F5 Ereignis zu bekommen. Mit F3 oder F4 Tornados sollte allerdings alle paar Jahrzehnte gerechnet werden. Es liegt nur an diesem langen Wiederkehrintervall für verheerende Tornados (F4, F5), daß manche Leute (z.T. sogar Meteorologen) sich zu dem falschen Schluß verleiten lassen, Tornados in Europa seien "immer schwach".

Außerdem sah die US Tornado Intensitätsverteilung in den 1950er Jahren sehr ähnlich aus wie die oben gezeigte: Lin-log für F1-F5, aber mit einer kleinen Zahl gemeldeter F0 Tornados. Heute, nach 50 Jahren mit stärkerer Beachtung der schwachen Tornados, hat ihr Anteil in der US Verteilung stark zugenommen. Jedoch wurde im gleichen Zeitraum keine Zunahme der starken oder verheerenden Tornados beobachtet. Es ist daher wahrscheinlich, dasselbe auch für Europa anzunehmen - bislang entgehen uns viele der schwachen Ereignisse. Entweder sie werden übersehen oder fehlerhaft als gewöhnliche Sturmschäden klassifiziert. Daher können wir mit Änderungen der deutschen Tornado Intensitätsverteilung rechnen, die im folgenden Bild skizziert sind:

Allerdings zeigen ganz aktuelle Forschungsarbeiten (Dotzek et al., 2003, in ), dass eine wirklich exakt linear-logarithmische Verteilung aus physikalischen Gründen nicht erreicht werden kann. Eine gewisse Rechtskrümmung (nach oben gewölbt) des Histogramms muss bei lin-log Darstellung erhalten bleiben. Daher ist vor allem ein starker Anstieg der Meldungen schwacher und unterkritischer Tornados zu erwarten, wogegen die beiden bisher in Deutschland als F5 klassifizierten Fälle mit hoher Wahrscheinlichkeit noch lange unverändert Bestand haben werden.

Statistische Modellierung von Tornado-Intensitätsverteilungen

Dotzek et al. 2003, in ) untersuchten, ob es bei den Tornados weltweit eine universelle Form der Intensitätsverteilung gibt, und wie diese geeignet modelliert werden kann, um z.B. das Risiko starker oder verheerender Tornados, die Gesamtzahl der zu erwartenden Ereignisse pro Jahr, oder das typische Wiederkehrintervall von Tornados einer gegebenen F- oder T-Intensität zu bestimmen.

Als besonders geeignet für diesen Zweck fanden Dotzek et al. (2003, in ) die sogenannten Weibull-Funktionen, die auch zur Beschreibung ganz gewöhnlicher Windgeschwindigkeitsverteilungen verwendet werden (auch Tornado Spurbreiten und -längen sind in den USA Weibull-verteilt).

Nach einer Anpassung an die schon gezeigten deutschen Daten erhält man die beiden, im obigen Bild grau und schwarz dargestellten, glatten rechtsgekrümmten Kurven. Der einzige Unterschied zwischen den beiden Kurven ist, dass die eine Anpassung erst bei F0-Intensität beginnt (wo die ersten leichten Schäden auftreten), während die andere schon bei F-2, d.h. bei v=0 m/s Geschwindigkeit ansetzt und so auch zu einer Aussage über die bislang kaum beobachteten unterkritischen Tornados mit negativer F-Skala kommt.

Im Bereich von F0 bis F5 sind beide Anpassungen statistisch etwa gleichwertig. Anhand des steilen Abfalls der Kurven bei den verheerenden Tornados sieht man schon, wie unwahrscheinlich die (hypothetischen) F6 Tornados in Deutschland sind. Allerdings zeigt ein ähnlicher Weibull fit der Tornadodaten aus USA in den 1990er Jahren, dass F6 Tornados dort ein etwa 10-jähriges Ereignis sein könnten ...