Gewitter entstehen bevorzugt an warmen, feuchten Tagen mit instabiler Luft – das ist schon lange bekannt. Aber an welchem Ort ganz konkret ein Gewitter entstehen wird, das ließ sich bisher kaum vorhersagen. Schwere Regenfälle treten oft sehr plötzlich und lokal auf – ohne Vorwarnung, aber oft mit schweren Schäden.
Ein britisch-österreichisches Forschungsteam mit Beteiligung der TU Wien untersuchte nun 2,2 Millionen Gewitterereignisse in Afrika. Dabei gelang es, eine physikalische Erklärung dafür zu finden, warum Gewitter an ganz bestimmten Stellen auftreten und an anderen nicht. Ein Zusammenspiel von Windverhältnissen in der Atmosphäre und räumlichen Unterschieden in der Bodenfeuchte entscheidet darüber, ob sich eine harmlose Wolke zu einem gefährlichen Gewitter auswächst. Das neue Gewitter-Modell wurde nun im Fachjournal Nature publiziert.
Die Bodenfeuchte als Gewitter-Motor
„Die Bewegung von Luftmassen auf großer Skala lässt sich heute sehr gut berechnen“, sagt Prof. Wolfgang Wagner vom Department für Geodäsie und Geoinformation der TU Wien. „Aber Gewitter entstehen auf mittlerer Skala, auf Dimensionen in der Größenordnung von einigen Kilometern. Und hier stoßen bisherige Modelle an ihre Grenzen.“
An der TU Wien entwickelt man seit vielen Jahren Methoden, aus Satelliten-Messdaten die Bodenfeuchte überall auf der Erde zu berechnen. Dank Verbesserungen bei der räumlichen und zeitlichen Auflösung der Satellitendaten wurde es nun möglich, Gewitterdaten mit Bodenfeuchtedaten in Beziehung zu bringen. Und dabei erkannte man einen bemerkenswerten Zusammenhang:
Gewitterzellen wachsen bevorzugt dort besonders rasch und heftig, wo Unterschiede in der Bodenfeuchte zu bodennahem Wind führen und der Wind in größerer Höhe in die Gegenrichtung bläst.
Wenn der Boden in einer Region feuchter ist als anderswo, dann entsteht oft bodennaher Wind. Die feuchtere Luft ist kälter, sie strömt zur trockenen Region, wo die Luft wärmer ist und geringeren Druck hat. Die Windrichtung in größerer Höhe ist davon weitgehend unabhängig.
Es kann also sein, dass die Wolken weiter oben genau in die Gegenrichtung ziehen – dem bodennahen Luftstrom entgegen. „Wenn das passiert, ist die Relativgeschwindigkeit am größten, die Wolken kommen pro Zeit mit maximal viel neuer, bodennaher Luft in Kontakt – und diese Luft ist es, die dann von unten die Gewitterzelle füttert“, erklärt Christopher Taylor (UK Centre for Ecology and Hydrology, UKCEH), der führende Wissenschaftler und Hauptautor der Studie.
Auf diese Weise entsteht die stärkste Konvektion, feuchte Luft von unten wird nach oben gezogen, dort kühlt sie ab und kann dann rasch schwere Gewitterwolken bilden. Es kommt zu einer sich selbst verstärkenden Aufwärtsbewegung – eine lokale Instabilität wird zum Gewitter. Genau deshalb sind Gewitter so schwer vorherzusagen.
Millionen Gewitter bestätigen das Modell
Dieses Modell konnte das Forschungsteam nun mit unabhängigen Datensätzen validieren: Satellitenbilder zeigen schnelles Wolkenwachstum genau dort, wo das Modell es vorhersagt. Blitzdaten bestätigen: Die intensivsten Gewitter entstehen bevorzugt über trockenen Bodenflächen, wenn die Windrichtungen in Bodennähe und in größerer Höhe gegenläufig sind.
Entscheidend für diese Analyse waren hochauflösende Satellitenmessungen der Bodenfeuchte, die an der TU Wien entwickelt und von EUMETSAT, der europäischen Agentur für meteorologische Satelliten, zur Verfügung gestellt werden. Dafür wurden Daten des europäischen ASCAT-Instruments genutzt, das auf den Metop-Satelliten von EUTMETSAT die Erde umkreist. Aus diesen Daten kann man mit komplexen, maßgeschneiderten physikalisch-basierten Modellen Rückschlüsse auf die lokale Bodenfeuchte ableiten.
Die in der Studie erzielten Erkenntnisse werden es nun erlauben, eine präzisere Einschätzung künftiger Gewitter zu ermöglichen und den Zusammenhang zwischen Klimawandel und Extremwetterereignissen besser zu verstehen.
Rückfragehinweis
Prof. Wolfgang Wagner
Department für Geodäsie und Geoinformation
Technische Universität Wien
+43 1 58801 12225
wolfgang.e120.wagner@tuwien.ac.at
Aussender:
Dr. Florian Aigner
PR und Marketing
Technische Universität Wien
+43 664 60588 4127
florian.aigner@tuwien.ac.at