Diskussion einzelner Themen
Hier erfolgt eine Diskussion der im Deutschen gebräuchlichen Begriffe für atmosphärische Wirbelphänomene und eine Abgrenzung zu geradlinig verlaufenden Gewitterstürmen. Leider kommt es in diesem Bereich häufig zu Verwechslungen, die meist von dem heutzutage schwammig verwendeten Wort "Windhose" herrühren.
Medien, Öffentlichkeit und z.T. auch Meteorologen bezeichneten in den letzten Jahrzehnten erfahrungsgemäß nahezu alle kleinräumigen, schadenbringenden Windphänomene als "Windhosen", selbst wenn es sich dabei in Wirklichkeit um Gewitterfallböen (downbursts) oder gar nur um die bei schönem, sonnigen Wetter auftretenden Kleintromben (Staubteufel) gehandelt hat.
Das aus den USA kommende Wort "Tornado" ist dagegen eindeutig und sollte deswegen auch im Deutschen statt "Windhose" zur Verwendung kommen. Für eine möglichst exakte Beschreibung der Klimatologie der hier beschriebenen, bei Gewitter auftretenden Sturmphänomene ist die Existenz und korrekte Anwendung einer eindeutigen Terminologie sehr wichtig. Insbesondere die klare Unterscheidung von Tornados und Downbursts ist eine Hauptaufgabe für die Zukunft, um zu einer genaueren Kenntnis der Downbursts in Europa zu kommen. Bislang werden Downbursts noch oft mit Tornados verwechselt oder unspezifisch als normale "Sturmschäden bei Gewitter" bezeichnet. Daher ist derzeit z.B. die Zahl der Downbursts im TorDACH-Datenarchiv wesentlich geringer als die der Tornados - was den physikalisch begründeten Erwartungen deutlich widerspricht.
Zunächst werden die verschiedenen Arten kleinskaliger Wirbel besprochen, danach die geradlinigen Windphänomene bei Gewittern.
Die verschiedenen kleinskaligen atmosphärischen Wirbel werden auch als Tromben bezeichnet. Thermisch erzeugte Kleintromben treten ohne starke Cumulus-Konvektion (z.B. Gewitter) auf. Einen Überblick über die Terminologie gibt die folgende Tabelle ( zum Vergrößern anklicken ).
Die Tabelle zeigt, dass das Wort Tornado und der etwas antiquierte Begriff "Großtrombe" Synonyme sind. Ebenso eindeutig von der Definition her (aber leider nicht mehr im heutigen Sprachgebrauch) sind Windhosen = Tornados über Land, Wasserhosen = Tornados über Wasser - wobei es aus physikalischen Gründen nicht sinnvoll ist, einen Tornado, der nur kurz einen Fluss oder einen kleinen See überquert, als Wasserhose zu bezeichnen.
Um die Erforschung der Tornados in Europa hat sich Alfred Wegener sehr verdient gemacht. Er hat in seinem Buch "Wind- und Wasserhosen in Europa" (Wegener, 1917) auch die Terminologie vereinheitlicht und vor allem sehr fortschrittliche Definitionen der Tornados gegeben und darauf hingewiesen, dass Tornados über Land (Windhosen) und Tornados über Wasser (Wasserhosen) dasselbe physikalische Phänomen darstellen, siehe die beiden folgenden Zitate:
"Windhosen und Wasserhosen sind gleichartige Erscheinungen, nur ist erstere Bezeichnung auf dem Lande, letztere auf See gebräuchlich. Sollte es einmal gelingen, geringe grundsätzliche Unterschiede zwischen beiden zu entdecken, was bisher mit Sicherheit nicht möglich ist, so werden sich solche vermutlich ohne weiteres auf die verschiedene Reibung am Untergrunde zurückführen lassen." (Wegener, 1917, S. 3).
"Wind- und Wasserhosen sind große Luftwirbel mit vertikaler Achse, die vom Rande einer Cumulo-Nimbus-Wolke meist bis zum Erdboden herabreichen, in ihrem Inneren durch Kondensation in Form eines herabhängenden Zapfens, Trichters, Schlauches oder Säule, im unteren Teil auch durch Staub, ganz oder teilweise sichtbar sind und in einer meist nach Hektometern zählenden Spurbreite durch stürmisches Hinzuströmen der Luft zu dem stark luftverdünnten Raum um die Wirbelachse gewöhnlich derartige Verwüstungen verursachen, wie sie auch bei den schwersten Stürmen größerer Ausdehnung nicht beobachtet werden." (Wegener, 1917, S. 5).
Diese Definitionen waren ihrer Zeit weit voraus. Die oft zitierte, aber nicht sehr hilfreiche Tornado-Definition aus der ersten Auflage des Glossary of Meteorology (Huschke, 1959) war viele Jahre lang ein Angriffspunkt für Kritik. Erst vor kurzem erschien in der zweiten Auflage des Glossary (Glickman, 2000) eine ähnliche Definition wie die von Alfred Wegener 83 Jahre zuvor:
A tornado is "a violently rotating column of air, in contact with the
ground, either pendant from a cumuliform cloud or underneath a cumuliform
cloud, and often (but not always) visible as a funnel cloud."
(Ein Tornado ist "eine vehement rotierende Luftsäule mit
Bodenkontakt, die entweder von einer cumuliformen Wolke herabreicht oder
sich unterhalb einer cumuliformen Wolke befindet und oft (aber nicht immer)
durch einen Wolkentrichter sichtbar wird.")
Siehe zu diesem Thema auch Chuck Doswells lesenswerten Aufsatz
(in 
).
Eine sinnvolle Unterteilung der Tornados ergibt sich daraus, ob die erzeugende kumuliforme (Gewitter-)Wolke eine Superzelle ist oder nicht. Superzellen sind Gewitter mit einem dauerhaften, rotierenden Aufwind, die deshalb oft eine von anderen Gewittern abweichende Zugrichtung aufweisen. Superzellentornados können die höchsten Intensitäten auf der Fujita-Skala erreichen. Nicht-Superzellentornados (hierzu gehören die meisten Wasserhosen) erreichen dagegen höchstens F2-Intensität.
Auch zur Definition der Superzelle gibt es einen Beitrag von Chuck Doswell:
(in ).
Hinweis: Die Fujita-Skala reicht von F-2 bis F6, wobei in den meisten Fällen nur der Bereich von F0 bis F5 angegeben wird. F0 entspricht Windstärke 8, hier treten die ersten kleinen Schäden auf. Tornados mit negativer F-Skala verursachen keine Schäden und werden daher kaum je wahrgenommen. Die Existenz von F6 Tornados wurde auch in den USA noch nie nachgewiesen. Dass ein Tornado irgendwann einmal diese extreme Intensität knapp erreichen könnte, ist aber zumindest denkbar.
Wolkentrichter können Vor- oder Zwischenstadien eines Tornados darstellen - nämlich dann, wenn der Luftwirbel noch nicht den Erdboden erreicht hat bzw. wenn ein Tornado sich kurzzeitig abschwächt und am Boden keine nennenswerten Schäden mehr verursacht (was früher oft als ein "Springen" oder "Hüpfen" des Tornados gedeutet wurde). In diesen Fällen wird meist schon bzw. noch von der Wolkenbasis ein Wolkentrichter mehr oder weniger weit herab hängen, der das Vorhandensein des Wirbels anzeigt.
Allerdings gibt es hier mehrere Verwechslungsmöglichkeiten. Entscheidend für die Existenz eines Tornados ist der Bodenkontakt des Wirbels, nicht des Wolkentrichters. Daher wurden leider schon oft schwächere Tornados, deren Wolkentrichter nicht bis zum Boden reichte, fehlerhaft "nur" als Blindtromben klassifiziert, obwohl am Boden Schäden auftraten bzw. der Luftwirbel dort durch aufgewirbelten Staub oder kleinere Trümmerteile sichtbar war. Fälle der Vergangenheit haben zu folgender Faustregel geführt: Handelt es sich um einen recht weit von der Wolkenbasis herab hängenden Trichter, der an der Wolkenbasis zudem eine relativ große Breite aufweist, dann wird der Luftwirbel meist Bodenkontakt haben, und es handelt sich eher um einen schwachen Tornado. Wolkentrichter, bei denen der Luftwirbel keinen Bodenkontakt hat, sind dagegen oft sehr dünn und kurz.
Weiterhin treten kleinere und kurzlebige Wolkentrichter auch unter anderen Voraussetzungen auf und haben dann mit Tornados nichts zu tun. Dies betrifft Scherungs- und Kaltluft-Wolkentrichter (shear und cold-air funnels). Bei diesen kann es durch lokale Windscherungen am Wolkenrand oder von der Wolkenbasis kleinräumig herabstürzende Kaltluft zu Wirbeln kommen, in denen Kondensation von Wolkentröpfchen stattfindet.
Diese Wirbel, die keine Tornados sind, sondern dynamisch erzeugte Kleintromben, entstehen an Böenfronten oder anderen Konvergenz- und Scherungslinien in der atmosphärischen Grenzschicht, an denen vertikale Wirbelstärke (vorticity) vorhanden ist. An kräftigen Böenfronten können solche Wirbel durchaus F1 auf der Fujita-Skala erreichen und damit schon nennenswerte Schäden verursachen. Nicht zuletzt deshalb werden Böenfrontwirbel oft fälschlich als Tornados gemeldet. Der Wirbel selbst wird hauptsächlich durch hochgewirbelten Staub sichtbar, weniger durch Kondensation in seinem Innern.
Allerdings kann sich ein Böenfrontwirbel zu einem Nicht-Superzellentornado entwickeln. Und zwar dann, wenn er unter den Aufwindbereich einer konvektiven Wolke (Cu cong oder Cb) gerät und sich durch Wirbeldehnung (vortex stretching) intensiviert. Dies kann geschehen, wenn eine Böenfront unter eine andere Gewitterzelle vordringt, oder wenn zwei solche Konvergenzlinien aufeinandertreffen und miteinander wechselwirken. Dann ist zum einen die vertikale Wirbelstärke besonders groß, zum anderen begünstigt die starke Horizontalkonvergenz die Neubildung einer cumuliformen Wolke.
Viele Wasserhosen (z.B. auf dem Bodensee) entstehen aus der Wechselwirkung von Böenfrontwirbeln und hochreichenden Cumuli. Da entlang einer Grenzschicht-Konvergenzlinie oftmals mehrere Wirbelstärkezentren vorhanden sind, wird auch erklärlich, warum bei Wasserhosen oder anderen Nicht-Superzellentornados über Land oft mehrere Wirbel gleichzeitig entlang der Konvergenzlinie auftreten.
Diese thermisch erzeugten Kleintromben sind keine Tornados!
Es sind kleinräumige Wirbel, die am Boden (über Land oder Wasser) bei gutem Wetter und starker Sonneneinstrahlung entstehen und auf die atmosphärische Grenzschicht beschränkt bleiben. Es liegt kein Kontakt mit hochreichenden Cumuluswolken vor.
Normalerweise sind Staubteufel harmlose, aber optisch und akustisch schon recht eindrucksvolle Wirbel, die in seltenen Fällen mehrere hundert Meter hoch reichen können. Die Intensität bleibt meist bei F-1 oder F0, und es entstehen keine ernsten Schäden. Eine Ausnahme ist hier die Kleintrombe, die am 9. August 1997 in Koblenz auftrat, F1 auf der Fujita-Skala erreichte und eine große Zahl parkender Autos durch herumfliegende Gegenstände beschädigte.
Böenfronten entstehen bei sehr vielen intensiven Schauern oder Gewittern. Je nach Größenspektrum der Regentropfen bzw. der relativen Feuchte der Luft, durch die der Regen (oder auch der Hagel) fällt, wird diese Luft durch Verdunstungs- oder Schmelzprozesse mehr oder weniger stark abgekühlt. Zusammen mit der Reibungskraft, die die fallenden Hydrometeore (Regen, Hagel, ...) auf die Luft ausüben, entstehen so ein kaltes Abwindgebiet und ein Kaltluftpool unterhalb der Wolke.
Diese Kaltluft breitet sich am Boden aus, hauptsächlich in der Zugrichtung des Gewitters und seitlich davon. Dabei bewegt sich der turbulente Vorderrand der Kaltluft (die Böenfront) im Laufe der Zeit oft immer weiter von der auslösenden Gewitterzelle weg - meist gekennzeichnet durch eine charakteristische bogenförmige, stratiforme Wolke. Sind die atmosphärischen Bedingungen sehr günstig, können sich solche Böenfronten über Stunden hinweg ausbreiten und in Gebieten ohne Gewitter plötzlich zu scheinbar unerklärlichem, starkem Wind führen.
Wie schon erwähnt, kann es an Böenfronten zu lokalen Wirbelbildungen kommen, und das Zusammentreffen zweier gegenläufiger Böenfronten kann zu explosiver Neubildung von Gewittern führen.
Gewitterfallböen (im folgenden wird das verbreitetere englische Wort downburst verwendet) entstehen prinzipiell auf ganz ähnliche Weise wie die normalen Böenfronten - nur sind sie meist auf einen kleineren Raum begrenzt, dafür aber wesentlich intensiver. Downbursts stellen eine große Gefahr für Flugzeuge in der Start- und Landephase dar, wenn kräftige Gewitter in der Nähe eines Flugplatzes sind. Für die Bildung eines Downbursts sind dieselben, Abwind erzeugenden Mechanismen in der Gewitterwolke notwendig wie bei den Böenfronten. Wenn jedoch große Niederschlagsmassen aus großer Höhe herabstürzen und schon in mehreren Kilometern über dem Erdboden auf relativ trockene Luft treffen, kann der entstehende Abwind in eine Größenordnung von 20 bis 30 m/s kommen. Gleichzeitig transportiert dieser hochreichende Abwind noch den horizontalen Impuls der Höhenströmung mit nach unten, so dass bei der Umlenkung des Fallwindes am Boden Windgeschwindigkeiten von weit über 100, im Extremfall weit über 200 km/h entstehen können. Man kann sich diesen Vorgang bildlich vorstellen wie das schwungvolle Auskippen eines Wassereimers - ähnlich, wie sich das Wasser am Boden ausbreitet, verläuft auch die Strömung in einem Downburst.
Aus den USA sind einige wenige Downbursts mit F3-Intensität bekannt, im allgemeinen ist aber bei F2 auf der Fujita-Skala in den USA wie auch in Europa eine Obergrenze zu ziehen. Ein Beispiel für einen T3/F1 Downburst in Deutschland ist das Gewitter bei Weilheim am 21. Juni 2002.
Downbursts werden leider oft mit Tornados verwechselt, und viele Meldungen von "Windhosen" waren eben nicht Tornados, sondern diese Gewitterfallböen. Mitunter kommt es am Rande von Downbursts zu Verwirbelungen, so dass Schäden lokal auf einen Tornado hindeuten können. Andererseits kann es aber auch bei manchen Tornados zu fast geradlinigen Schadenverläufen kommen. Daher ist eine nachträgliche Entscheidung, ob ein Tornado oder Downburst den beobachteten Schaden verursacht hat, nicht immer leicht.
Abb. 1: Schema der Strömungsfelder in Downbursts
und Tornados (Fujita, 1985).
Einen ganz prinzipiellen Unterschied zwischen Downburst und Tornado Windfeldern gibt es jedoch: Das Windfeld eines Downbursts ist stets divergent (durch das Auseinanderströmen der herabfallenden Kaltluft), wohingegen das Windfeld eines Tornados stets konvergent ist (durch das Hineinströmen in den Tornadowirbel). Man vergleiche dazu die obige Prinzipskizze in Abb. 1.
Böenfront, Downburst und Tornado können speziell bei Superzellengewittern zusammen oder nacheinander von derselben Gewitterzelle gebildet werden. Der Tornado ist dabei das speziellste und damit unwahrscheinlichste Ereignis, die Böenfront das allgemeinste und häufigste.
Wenn sich Gewitterlinien (squall lines) in ihrem mittleren Bereich schneller fortbewegen als an den Rändern, dann wird die Gewitterlinie bogenförmig gekrümmt und erzeugt auf dem Radarschirm ein sogenanntes Bogen-Echo. Solche Strukturen deuten darauf hin, dass die Gewitter im Zentrum des Bogens am intensivsten sind und dass sich in dieser Zone die Böenfronten der einzelnen Gewitterzellen so überlagern, dass in Zugrichtung des Bogen-Echos mit sehr starken, geradlinigen Winden am Boden gerechnet werden muss. Diese können durchaus F1-Intensität erreichen und sind im Vergleich zu einem Downburst großflächiger. Bildet eine sehr ausgedehnte Gewitterlinie über ihre ganze Länge hinweg mehrere Bogen-Echos, entsteht eine wellenartige Struktur der Gewitterlinie, die im Englischen als line echo wave pattern (LEWP) bezeichnet wird.
Tornados in Verbindung mit Bogen-Echos können vorkommen, und sind vorwiegend am (Nord-)Rand des Bogen-Echos zu erwarten. Bilden sich Tornados am Südrand eines Bogen-Echos, haben sie oftmals antizyklonalen Drehsinn. Zusätzlich können häufiger Böenfrontwirbel entstehen, die dann fälschlich als Tornado gemeldet werden könnten - so wie bei dem Fall vom 23. Juni 2003 in Norderstedt-Glashütte, wo ein kleiner Böenfrontwirbel am Rande eines Downbursts gesehen wurde. Norderstedt lag dabei am Südrand eines Bogen-Echos.
Das großräumigste Extremwindereignis bei Gewittern stellt das Derecho dar. Der Begriff ist dem Spanischen entlehnt (derecho = geradeaus) und wurde 1888 von Gustavus Hinrichs in den USA geprägt, um eine Unterscheidung zu den Tornados (span. tornado = gedreht) zu treffen. Das Derecho bezeichnet eine extrem lang ausgedehnte Zone mit schadenbringenden, geradlinigen Gewitterwinden, die z.B. durch eine Abfolge von Bogen-Echos innerhalb einer langlebigen Gewitterlinie entstehen kann. Aber auch im Zusammenhang mit Derechos kann es örtlich zur Bildung von Tornados kommen.
Johns und Hirt (1987) machten den Begriff des Derecho wieder in der meteorologischen Fachwelt bekannt, und definierten ein Derecho durch:
In Europa ist der Begriff des Derecho noch relativ ungebräuchlich.
Früher wurden solche Ereignisse vorwiegend als "ausgedehnte
Sturmschäden an einer Gewitterfront" (o.ä) bezeichnet.
Das Ereignis, das am 10. Juli 2002 Berlin getroffen hat, wurde
von
(in )
als Derecho klassifiziert.
Auch die CLEOPATRA-Gewitterfront von 21. Juli 1992 in
Süddeutschland könnte die obigen Bedingungen für ein
Derecho erfüllt haben.