- Definition des Begriffs - Superzelle
- Aufbau
- Entwicklungsstadien
- Typen
- Split
- Radarmerkmale
- Vorort - Erkennung
1. Definition des Begriffs "Superzelle"
Meistens wird der Begriff "Superzelle" in Verbindung mit einer heftigen, oft isolierten Gewitterzelle und deren Begleiterscheinungen verbunden. Die Zelle ist zudem langlebig und besitzt einen drehenden Aufwind.
In Wirklichkeit unterscheidet sich eine Superzelle kaum von einer normalen Gewitterzelle.... die einzige, aber sehr wichtiger Differenz: Der rotierende Aufwind - die "Mesozyklone".
SHA - Definition einer Superzelle:
"Eine Superzelle ist ein langlebiges Gewitter, welches über einen längeren Zeitraum einen konstant rotierenden Aufwind besitzt."
Der Zeitraum dieser Rotation sollte zwischen 45 min und 1 Stunde sein, bevor von einer Superzelle gesprochen werden kann.
2. Aufbau einer Superzelle
Das folgende Bild zeigt den seitlichen Aufbau einer Superzelle. Zu beachten ist vor allem die Mesozyklone, der "RFD" sowie der "FFD" - Bereich:
Abbildung 1: Seitenansicht + Aufbau einer Superzelle
2.1 Mesozyklone
Die Mesozyklone ist das Herzstück einer Superzelle und ist hauptsächlich für alle Superzellen - exklusiven Erscheinungen verantwortlich. Der Begriff beschreibt dabei den hochreichenden, schiefgestellten und persistent rotierenden Aufwind der Gewitterzelle. Bei der Mesozyklone handelt es sich eigentlich um ein kleinräumiges Tiefdruckgebiet in der Gewitterzelle, welches in extremen Fällen eine vertikale Ausbreitung von bis zu 12 km und eine horizontale von bis zu 10 km erreichen kann.
Die Rotation um eine vertikale Achse des Aufwinds stammt dabei von einer stark scherenden Atmosphäre, welche die Zelle umgibt. Erfolgt mit der Höhe noch eine Rechtsdrehung des Winds, sind antizyklonal drehende Aufwinde auf der Nordhalbkugel durch die Corioliskraft stark bevorzugt. Die starke Drehung des Aufwinds verstärkt dabei Druckunterschiede mit der Höhe und führt zu einem Geschwindigkeitsmaximum und Druckminimum in mittleren Höhen der Mesozyklone.
Abbildung 2: Bildliche Darstellung einer Mesozyklone
2.2 RFD & FFD
Ein markantes Merkmal einer vorhandenen Mesozyklone sind zwei Abwindbereiche. Der hintere Abwind "RFD - Rear Flank Downdraft", sowie der fordere Abwind "FFD - Front Flank Downdraft". Beide Abwinde umgeben dabei den Aufwind und unterstützen die Langlebigkeit einer solchen Zelle.
Der "FFD - Front Flank Downdraft" bildet sich durch die Abkühlung der Luftmasse, welcher durch die Verdunstung der Niederschlagspartikel entsteht. Kalte Luft besitzt dabei eine höhere Dichte als warme Luft und fällt an der Forderseite der Zelle als kalter Abwind zu Boden. Der FFD ist in der Regel der Bereich, welcher den heftigsten Niederschlag signalisiert.
Im Gegensatz dazu ist der "RFD - Rear Flank Downdraft" deutlich wärmer und befindet sich hinter dem Aufwind. Er ensteht durch die Blockade der Strömung, welche die Mesozyklone verursacht. Die Luft wird dabei nach unten gedrückt und erwärmt sich in weiterer Folge adiabatisch. Der RFD ist in der Regel nur leicht feucht - sind die PWAT Werte der Atmosphäre aber hoch und/oder die Scherung in höheren Schichten niedrig wird der RFD ähnlich dem FFD stark feucht. Je höher die relative Luftfeutchtigkeit in höheren Schichten ist, desto wärmer ist auch der RFD und die Wahrscheinlichkeit für die Bildung eines Tornados steigt. Erreichen die RFD - Abwinde den Boden ensteht oftmals eine, am Radar erkennbare, Gust Front.
Abbildung 3: Ansicht einer Superzelle von oben inkl. RFD & FFD
3. Entwicklungsstadien
Durch den hohen Grad an Organisation durchläuft eine Superzelle mehrere Entwicklungsstadien: Anfangs-, Entwicklungs-, Reife- und Endstadium. Die Dauer der einzelnen Stadien hängt dabei von der Ausgangslage und den atmosphärischen Bedingungen ab.
3.1 Anfangsstadium
Eine Superzelle entwickelt sich entweder aus einer isoliert aufschießenden Zelle oder einer stark organisierten Multizelle. Auf dem Radar ist in beiden Fällen eine auffallend runde Form erkennbar, welche im besten Fall auch isoliert erscheint. Im Anfangsstadium hat die Zelle noch nicht genügend Eigendynamik(Mesozyklone) um sich aus einem Cluster zu lösen oder gegen die Höhenströmung auszuscheren.
Abbildung 4: Anfangsstadium einer werdenden Superzelle/Radaransicht
3.2 Entwicklungsstadium
Im Entwicklungsstadium werden Auf - und Abwind durch die Windscherung getrennt und in Folge der Höhenströmung wird die Zelle in die Länge gezogen. Der Aufwind beginnt durch die atmosphärischen Bedingungen markante Rotation zu erlangen. Am Radar erscheint das typische Bild einer stark organisierten Zelle, wo sich die stärksten Reflektionen im südliche Eck der Zelle befinden. In diesem Stadium isoliert sich die Zelle oft von herumliegende Zellen und der Aufwind kann sich auch durch Einstrom warm labiler Luftmassen weiter verstärken.
Abbildung 5: Radarbild im Entwicklungsstadium; Zu beachten ist die langgezogene Form. "WER" - Weak Echo Region ist eine niederschlagsfreie bodennahe Zone.
Der starke Aufwind verhindert dabei das Fallen des Niederschlags in dieser Zone.
3.3 Reifestadium
Den Reifestadium erreicht eine Superzelle abhängig von CAPE und Windscherung nach ein bis zwei Stunden. Desto höher die angesprochenen Werte sind, desto länger dauert die Transformation. Umso länger die Transformation dauert, desto langlebiger ist die Zelle bei passender Atmosphäre.
In diesem Stadium kann sich die markant rotierende Mesozyklone konstant etablieren und der Grundaufbau einer Superzelle nimmt Form an. Durch den massiven Aufwind, wird auch der Niederschlag immer stärker und typische Begleiterscheinungen wie Großhagel sind die Folge. Die Mesozyklone wird so stark, dass sie Niederschlag aus dem FFD an der Rückseite Richtung RFD zieht.... das berühmte Hook Echo ensteht.
Abbildung 6: Der Grundaufbau einer Superzelle mit RFD & FFD. "BWER" - Bounded Weak Echo Region ist die Folge eines massiven
Aufwinds & beschreibt den Radarecho - freien Kanal des Aufwinds.
3.4 Endstadium
Im Endstadium stirbt die konvektive Zelle aufgrund von stark Outflow - dominanten Verhaltens. Outflow - dominantes Verhalten kann verschiedene Ursachen haben:
- Die Zelle erreicht ein Gebiet mit zu wenig CAPE oder Windscherung.
- Durch den kalten Outflow aus dem eigenen Abwind oder andere Gewitter wird dem Aufwind die Versorgung abgeschnitten.
Durch die genannten Gründe stirbt der Aufwind und der Abwindbereich beginnt sich auszuregnen. Typische Merkmale einer Superzelle lösen sich auf und die Zelle wird am Radar immer kleiner bis sie völlig verschwunden ist.
4. Typen von Superzellen
Superzellen - Gewitter unterteilen sich grundsätzlich in drei verschiedene Typen: LP, Classic und HP. Der auftretende Typ hängt dabei immer von der vorliegenden Atmosphäre ab. Maßgeblich entscheidend sind dabei die "Upper Storm Relativ Winds", also Winde in 9 - 12 km Höhe. Sie beeinflussen wie weit der Niederschlag vom Aufwind entfernt fällt. Zusätzliche atmosphärische Eigenschaften wie zB. Feuchte spielen bei der Entstehung der einzelnen Typen nur eine untergeordnete Rolle.
4.1 LP - Low Precipitation
Die Low Precipitation - Superzelle ist die, in unseren Bereiten, am seltensten vorkommende Art und ist an dem schwach ausgeprägten Niederschlagsbereich und dem markant schrägen Aufwindturm leicht zu erkennen.
Diese Art von Superzelle entsteht meist in Atmosphären mit starker Windscherung in höheren Schichten und bevorzugt nur mäßiger CAPE. Durch eine verhältnismäßig trockene Atmosphäre und sehr starken Winden in höheren Sichten wird der bereits wenige Niederschlag regelrecht aus dem Aufwindbereich gerissen und fällt weit vom Aufwind aus der Basis vom Gewitter. Durch dieses Verhalten kann sich der Aufwind voll entfalten und die Gegensätze und Geschwindigkeiten in der Mesozyklone erreichen Höchstwerte. In weiterer Folge nimmt der Aufwind oft abstrakte Strukturen an und der Niederschlag in den Abwindbereichen fällt oft nur als Großhagel.
Meistens bilden LP - Superzellen keine Wallcloud aus, womit die Tornadogefahr deutlich niedriger ist als bei Klassischen- oder HP - Superzellen. Durch den wenigen Niederschlag sind solche LP - Zellen auch nur schwer am Radar zu erkennen und bilden durch den sehr schwachen RFD auch kein Hook Echo aus. Eine eindeutige Klassifizierung solch einer Zelle ist meistens nur vor Ort möglich.
Abbildung ?: Aufbau einer LP Superzelle
Notwendige Atmosphäre:
- Upper Storm-relative Winds >30 m/s
- 0-6 km Bulk Shear >25 -30 m/s
- SREH 0-3 km >250 - 300 m²/s²
- PWAT <25 mm
- CAPE >1000 J/kg
Diese Werte sind als ungefähre Richtwert zu sehen. Durch andere atmosphärische Faktoren bzw. Einflüsse, können diese Werte leicht variieren.
Das folgende Bild zeigt ein Beispiel einer Bilderbuch LP - Superzelle. Ein beeindruckender Aufwindteller mit einer schräg gestellten Mesozyklone und kaum ausgeprägten Abwindbereichen:
Abbildung 7: LP - Superzelle
Die folgende Abbildung zeigt eine typische LP Lage in Oklahoma: Sehr gute Scherungswerte vor allem in höheren Schichten(30 m/s), moderates CAPE von 1300 J/kg und eine deutliche Rechtsdrehung der Winde mit der Höhe. Zusätzlich sind die Winde in mittleren Schichten recht hoch, womit eine markant ausgeprägte Mesozyklone möglich wird.
Abbildung 8: LP Sounding
4.2 Klassische SuperzelleDie klassische Superzelle entspricht dem typischen Grundaufbau einer Superzelle mit einer Mesozyklone und den zwei Abwinden RFD & FFD. Diese Art von Superzelle ist in Österreich auch eher selten anzutreffen und tritt meist isoliert auf. In Regionen mit detaillierter Radarabdeckung ist eine Classic SZ durch das "Hook Echo" und der "WER - Weak Echo Region"/"BWER - Bounded Weak Region" eindeutig erkennbar. Ein Vorort - Erkennungsmerkmal einer klassischen Superzelle ist die konstante Existenz einer (meist) rotierenden Wallcloud.Klassische Superzellen entstehen in Atmosphären, wo erhöhte CAPE Werte mit guter Windscherung überlappt. Dabei ist zu beachten, dass die "Upper Storm-relative Winds" nicht 20 m/s unterschreiten dürfen, da sonst der Niederschlag zu nah am Aufwind fällt und die Zelle zur HP - Version wird.
Abbildung 9: Theoretischer Aufbau einer klassische SuperzelleNotwendige Atmosphäre:- Upper Storm-relative Winds 20 - 30 m/s
- 0-6 km Bulk Shear >15 -20 m/s
- SREH 0-3 km >150 - 200 m²/s²
- PWAT <35 mm
- CAPE 1000 - 3000 J/kg
Diese Werte sind als Richtwert zu sehen. Durch andere atmosphärische Faktoren bzw. Einflüsse, können diese Werte leicht variieren.
Das folgende Bild zeigt eine Klassische Superzelle. Zu beachten ist die erkennbare Rotation der Mesozyklone in höheren Schichte, die eindeutige Trennung von Auf- und Abwindbereich sowie der allgemein mächtige Aufwindbereich. Die Wallcloud befindet sich im Übergangsbereich zwischen Auf- und Abwind.
Abbildung 10: Klassische Superzelle
Abbildung 11: Österreichisches Sounding einer Superzellen Lage aus dem Jahr 20134.2 HP Superzelle
HP - Superzellen entstehen in Atmosphären mit hohen CAPE- aber in höheren Schichten nur mäßigen Scherungswerten. Solche Bedingungen findet man vor allem an stationären Luftmassengrenzen vor. Die HP Superzelle ist dabei die am häufigsten vorkommende Art von Superzellen in Österreich. Vor Ort ist eine HP - SZ leicht durch die tiefe Wolkenbasis und den starken Niederschlag im RFD Bereich zu erkennen.
Durch die bevorzugt hohen PWAT/CAPE - Werte produzieren solche Zellen enorme Regen + Hagelmengen und besitzen, durch die meist extrem feuchte Atmosphäre, eine niedrige Basis. Auf dem Radar sind sie vor allem durch die flächenmäßig höhere Ausbreitung inkl. starken Radarechos erkennbar. Durch die nur mäßigen Scherungswerte ist die Trennung von Auf- und Abwind nicht mehr so stark ausgeprägt und der Niederschlag konzentriert sich dadurch im FFD & RFD.Als Folge der Niederschlagsmaxima im FFD & RFD, werden die Strukturen der Mesozyklone nur mehr schwer sichtbar und Begleiterscheinungen wie Rain wrapped Tornados, Flash Flooding, extreme Downbursts sowie enorme Hagelmengen sind oft an der Tagesordnung. Der Bereich zwischen Aufwind und dem niederschlagsreichen und um die Mesozyklone wickelnden RFD nennt sich "bears cage".
Abbildung 12: Overview einer HP SZ, der niederschlagsreiche RFD wickelt sich weit um die MesozykloneNotwendige Atmosphäre:- Upper Storm-relative Winds <15 m/s
- 0-6 km Bulk Shear >15 m/s
- SREH 0-3 km > 150 m²/s²
- PWAT >30 mm
- CAPE >1500 J/kg
Diese Werte sind als Richtwert zu sehen. Durch andere atmosphärische Faktoren bzw. Einflüsse, können diese Werte leicht variieren.
Abbildung 13: Deutsche HP - Superzelle aus dem Jahr 2017
5. Superzellen - Split
Bei einem Split teilt sich eine Superzelle kurz nach der Entstehung in zwei spiegelsymmetrische Zellen. Eine Zelle schert relativ zum Höhenwind nach links aus (Leftmover) und die andere relativ zum Höhenwind nach rechts (Rightmover) . Der Leftmover besitzt eine sich antizyklonal drehende Mesozyklone, der Rightmover eine zyklonal drehende Mesozyklone. Auf der nördlichen Halbkugel sind Rightmover bevorzugt, da die Winde mit der Höhe meist nach rechts - Warmluftadvektion - drehen.
Abbildung ?: Ablauf eines Superzellen Splits. Eingezeichnet sind auch die entsprechenden Aufwinde sowie die Zugrichtung der Zellen
5.1 Wieso kann sich eine Superzellen teilen?
Diese Frage wird in den folgenden Sätzen nur in den Grundzügen erklärt. Die genauen physikalischen Hintergründe werden im Kapitel "Mesozyklone, Superzellen - Motion, Helizität" - Exp. Stormhunter Wissen genauer erklärt.
Befindet sich ein kreisförmig Aufwind in einer vertikal gescherten Atmosphäre, entstehen in mittleren Schichten nach kurzer Zeit Wirbelpaare, welche mit vertikaler Achse zyklonal und antizyklonal drehen. Daraus lääst sich schließen, dass jede Gewitterzelle in einer gescherten Umgebung bis zum Entwicklungsphase auch zwei Aufwinde besitzt... Ensteht nun der Abwind zwischen den beiden Aufwinden, werden die beiden Aufwinde getrennt und bei passenden Umständen entwickeln beide Aufwinde ein Eigenleben. Durch den meist rechtsdrehenden Wind mit der Höhe ist der zyklonal rotierende Aufwind bevorzugt.
Ein österreichisches Beispiel für eine Superzellen Split aus dem Jahre 2015
Abbildung ?: Anfänglich zwei rotierende Aufwinde werden...
Abbildung ?: ....durch Abwinde im weiteren Verlauf getrennt
5.2 Split bei unidirektionalen Scherungsprofil
Nimmt der Wind mit der Höhe an Geschwindigkeit zu, doch findet keine Richtungsänderung statt (Geschwindigkeitscherung) und es kommt zum Superzellen - Split, ist weder der Left noch der Right - Mover bevorzugt. In diesem Fall können beide Teile des Splits zu starken bzw. langlebigen Superzellen werden.
Abbildung ?: Skizze eines Splits in einer Atmosphäre mit unidirektionalen Scherungsprofil
5.3 Split bei Scherungsprofil mit Richtungsscherung
Nimmt der Wind mit der Höhe an Geschwindigkeit zu inkl. einer Richtungsänderung mit der Höhe und es kommt zum Superzellen - Split, ist in Österreich der Right - Mover stark bevorzugt. In diesem Fall kann sich nur der zyklonal drehende Teil des Splits als langlebige Superzelle behaupten und der Leftmover stirbt nach kurzer Zeit.
Abbildung ?: Skizze eines Splits in einer Atmosphäre mit guter Geschwindgkeits- und Richtungsscherung. Nur der Rightmover kann sich auf Dauer behaupten.
6. Radarmerkmale
Die zu uns zu Verfügung stehenden Radardaten für Österreich sind für die
Die verschiedenen Arten von Superzellen zeigen sich auch auf den Radarbildern vollkommen unterschiedlich und sind daher oft am Radar schon leicht zu unterscheiden. Obwohl die derzeit zu Verfügung stehenden Radardaten(in Österreich) für die Zellenunterscheidung nicht die besten sind, wird in dem folgenden Absatz genau erklärt wie sich die verschiedenen Typen unterscheiden lassen.
6.1 LP - Superzelle am Radar
LP Superzellen äußern sich am Radar grundsätzlich durch den langgezogenen Niederschlagsbereich und dem niederschlagsfreien RFD. Oft erreicht im Zuge dieses SZ - Typs auch fast kein Niederschlag den Boden und so kann die Zelle dann am Radar kaum oder gar nicht zugeordnet werden.
Abbildung ?: Radarbild eine LP - Superzelle aus Deutschland
6.1 Klassische Superzelle am Radar
Klassischen Superzellen bilden meist das berühmte, am Radar gut sichtbare, Hook Echo aus. Dabei wird Niederschlag aus dem FFD um die Mesozyklone in den RFD Bereich gesaugt. Auf für uns zugänglichen Radarbildern aus Österreich ist das Hook Echo in der Regel nicht sichtbar. Nur im Falle eines Tornados oder "fast Touch Down" wenn das Hook Echo in allen Schichten der Zelle gut ausgeprägt ist, wird das Hook Echo auf unseren Radarbildern sichtbar.
Abbildung ?: Radarbild einer Bilderbuch - klassischen Superzelle aus Deutschland
Abbildung ?: Tornadische Superzelle bei Wien - 10.07.2017 mit Frontenverteilung und Tornado
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