Die Unwetterlage am späten Abend des 11. Juli bis in die Nacht auf den 12. Juli 2023 führte zur seltenen Kombination zweier seltener Ereignisse in Europa. Derechos – langlebige Böenlinien, die auf großer Fläche mindestens schwere Sturmböen bringen- sind im Alpenraum sehr selten. MCCs (Mesoscale Convective Complexe), also großflächige Gewittercluster, sind noch viel seltener in Europa, in Osteuropa etwas häufiger mit 5-10 pro Jahr, in Westeuropa viel seltener, in Frankreich alle 10-15 Jahre, in Deutschland etwa alle 30 Jahre – häufiger sind sie noch in den USA bzw. als Easterly Waves die Keimzellen im Bereich des subtropischen Atlantiks für Hurrikane. Der MCC wandelte sich dann in der Nacht in ein MCV (Mesoscale Convective Vortex) um – ein kleines Bodentief mit Auswirkungen bis in die mittlere Troposphäre, wo es mitten im Höhenrücken einen kleinen Trog erzeugt hat, der das Höhenwindfeld deformierte. Rückseitig des Niederschlagsfelds vom MCC bildete sich außerdem ein sogenanntes wake low, ein kleinräumiges Tief, das kurz nach dem starken Druckanstieg mit der Böenlinie für erneuten Druckfall sorgte. Es ging mit lokalen „heat bursts“ (rapide Erwärmung am Boden am späten Abend) und erneuten Sturmböen einher. Auch dieses Phänomen beobachtet man wesentlich häufiger in den USA.

Definitionen

Ein MCC ist klar definiert nach Maddox (1980):

• A: Wolkenschirm mit Cloud Tops von -32°C und weniger auf mindestens 100 000 km² Fläche
• B: darin ein Bereich von -52°C und weniger auf mindestens 50 000 km² Fläche
• A und B mindestens sechs Stunden Dauer
• B zusammenhängend ein Maximum
• Exzentrizität (Länge/Breite) mindestens 0,7 beim Maximum

Laut Keraunos waren die Bedingungen für ein MCC in diesem Fall erfüllt.

Ein Derecho ist definiert als

• Achsenlänge der Böen von 50kt (ca. 90km/h) mindestens über 500km
• mehrere 65kt Böen (ca. 120km/h) im Abstand von 64km

Die Achsenlänge betrug rund 750km zwischen Ostfrankreich und Mostviertel.

Anmerkung, 29.07.23 – Laut Analyse von Meteorologin Fabienne Muriset waren die Kriterien für ein Derecho nach amerikanischen Maßstäben nicht erfüllt.

Auswirkungen

• Hagel bis 10cm
• Spitzenböen über 70kt in Innsbruck (Olympiadorf im Osten bis 78kt, exponierte Station)
• mehrere mutmaßliche Tornados (Teisendorf, Waldkraiburg, Eppisburg, Ziemetshausen, Niedereschach, Mühlheim an der Donau; Ötzingen, Ettighausen und Westerburg
• F2-Downburst in Asweiler (Saarland), in den Medien anfangs als Tornado bezeichnet
• Starkregen, lokal über 50mm in weniger als einer Stunde (Schweiz)
• alleine in Frankreich über 43000 Blitze, in Österreich 7000
• Cloud Tops bis -76°C in Ostfrankreich (unter -75 sind selten in West- und Mitteleuropa)

Modellperformance

Die Unwetterlage war von den Lokalmodellen gut erfasst worden (v.a. Super HD von Kachelmann, Schweizer EZMWF-Lokalmodell (4x4km) und ICOND2), von GFS war es seit Tagen angedeutet, aber vom Ausmaß unterschätzt, im EZWMF war zu wenig Niederschlag über dem Ostalpenraum gerechnet und nur ein Windmaximum bis etwa 35kt in 925 hPa über Bayern, aber keine explizite Squall line

Sichtbarer Kanal um 19.50 MESZ und Modellsimulation Swiss HD (EZWMF 4×4) vom Vortag, 10.07.23, 00 UTC-Lauf

Ausgangslage:

Die Großwetterlage zeigt einen breiten Trog über Großbritannien mit straffer Südwestströmung über Frankreich. Über dem Ärmelkanal bis zur Nordsee erstreckt sich eine inaktive Frontalzone, die die schwül-labile Luft von gemäßigter Polarluft trennt. Die Keilachse liegt im Osten von Österreich.

In Vorarlberg war es mit 37,7°C einer der heißesten Tage der Messgeschichte, in Bludenz wurde damit ein Stationsrekord aufgestellt. Am Sonnblick war es mit +15,7°C der wärmste Tag seit Aufzeichnungsbeginn vor 137 Jahren.

Der Beginn des späteren MCC war wie vermutet am Nordrand des französischen Zentralmassivs im Bereich einer markanten Bodenkonvergenz und hohen Taupunkten (36 über 20).

Entwicklung im Radar und Satellitenbild

Ab jetzt muss ich leider auf eine 5-Minuten-Radarprognose wechseln, weil die österreichischen Radarprodukte (noch) nicht frei verfügbar sind:

In besser aufgelösten Radarprodukten würde man jetzt eine sich ablösende Outflow Boundary (vorlaufende Druckwelle) sehen, die sich ab Linz mit zunehmender Distanz immer weiter von den Abwindbereichen (Niederschlag) der Gewitterlinie entfernte. Gleichzeitig sanken die Wolkenobergrenzen deutlich ab und die Radarreflektivität verlagerte sich in die unteren Schichten. Die Gewitterlinie wurde damit abwinddominant und zeigte Auflösungstendenzen.

Die entscheidende Abschwächung der Böenlinie fand mit dem Umwandlungsprozess zum MCV statt. Zwischen 02.20 Uhr und 02 Uhr MESZ verringerten sich die Spitzenböen von verbreitet 60kt auf unter 50kt. Amstetten war die letzte Station im Osten mit 50kt Spitzen.

Auch in den Drucktendenzen war es ein bemerkenswertes Ereignis: Der Flugplatz Friedrichshafen (EDNY) am Bodensee meldete einen Druckanstieg von 6 hPa in 10min, Innsbruck (LOWI) später sogar 9 hPa in 10min. Vergleichbare Druckanstiege hatte ich zuletzt bei der Squall line am 18. August 2017 über Oberbayern gesehen (vgl. Fallstudie) – spätestens ab diesem Zeitpunkt war klar, was stromabwärts zu erwarten war. Umso unverständlicher wieder einmal, wenn keine bzw. zu schwache Sturmwarnungen heraußen sind bzw. nicht über alle Medienkanäle gewarnt wird. Die starken Druckanstiege mit 6 hPa in 1 Stunde gingen noch bis zum Mostviertel – die letzte Wetterstation war Wieselburg mit 5,6 hPa Anstieg, weiter östlich waren es nur noch 2 hPa. Die deutliche Abschwächung der Gewitterlinie bzw. Druckwelle war also auch in den Drucktendenzen erkennbar. Wien bzw. der Flughafen hatten immerhin noch 40kt Spitzen, aber weit entfernt von schwerem Sturm.

Man sieht erhebliche Geschwindigkeiten westlich von München sowie über dem Flachgau und Innviertel im Bereich 120 km/h und mehr. Warum tote Gegend? Weil zwischen München und Salzburg kaum Wetterstationen 10-minütige Daten melden, jedenfalls nicht öffentlich abrufbar. Das Dopplerradar deckt diesen blinden Fleck stromaufwärts von Salzburg aber recht gut ab und kann im Nowcasting gut verwendet werden.

Wetterballonaufstiege von Payerne (Schweiz), Schongau (Oberbayern) und Wien

Die Aufstiege sind durchaus interessant, insbesondere beide Nachmittagsaufstiege in der Schweiz und Oberbayern zeigen sehr trockene Grundschichten bis 700 hPa hinauf, wodurch viel Verdunstungskälte erzeugt werden kann, was die Abwinde weiter beschleunigt und die Eigendynamik des Systems aufrechterhielt. Der Mittagsaufstieg von Payerne zeigte viel Labilität und verhältnismäßig wenig CINH (Deckel). Der nächtliche Wienaufstieg etwa zwei Stunden vor Durchgang der Druckwelle hatte zwar viel Labilität, aber einen kräftigen Deckel, der nur kurzzeitig überwunden wurde, aber dann sorgte das Wienerwaldlee für Abtrocknung. Alle Aufstiege waren stark geschert im Ambossbereich der Gewitterwolken (anvil-layer), also zwischen 300 und 200 hPa Höhe, damit optimale Scherung für organisierte Multizellengewitter und aufgrund der starken Höhenwinde den Linientyp bevorzugend.

Bildung eines Wake Lows

Eigentlich benutze ich mein Aranet4 vor allem für CO2-Messungen in Innenräumen, um das potentielle Infektionsrisiko abzuschätzen. Es hat aber auch einen integrierten Drucksensor und dieses zeigte in meiner Wohnung einen spannenden Druckverlauf:

Denn hinter dem reschen Druckanstieg mit Durchgang der Outflow Boundary fiel der Luftdruck wieder deutlich ab.

Schauen wir uns das einmal chronologisch an:

Aus irgendeinem Grund fiel mir sofort der Begriff wake low ein und ich wurde schnell fündig:

Ein Wake Low entsteht dann, wenn sich an der Rückseite des Clusters eine absinkende Luftströmung etabliert („Rear inflow Jet“), welche zur trockenadiabatischen Erwärmung führt und damit zu sinkenden Obergrenzen (Wolkenoberseitentemperatur nimmt zu). Am stärksten ist die Erwärmung an der Niederschlagskante, wo die Verdunstungskälte nicht mehr die Erwärmung überkompensiert. Durch die Erwärmung in den unteren Luftschichten fällt der Luftdruck erneut und es entstehen mitunter starke Druckgradienten und erneut kräftige Böen.

Einzelne Stationen über der Schweiz zeigten tatsächlich gegen 01 Uhr MESZ gleichzeitig Druckfall, Sturmböen und Erwärmung („heat burst“), z.B. Délemont (439m) von 22 auf 25°C und 85 km/h Böen. In Laufen ging es von 18 auf 22°C. Bei Délemont gab es außerdem ein lokales Druckminimum um 2-3 hPa weniger als in der Umgebung.

Man sieht klar den starken Druckanstieg an der Vorderkante des Clusters mit den stärksten Echos (Squall line), und genau rückseitig des Niederschlags über der Nordschweiz erneuten Druckfall, ehe mit den nächsten Gewittern über der Westschweiz erneut der Druck anstieg.

Für die nachfolgenden Satellitenbilder werde ich ebenfalls unsere Visualisierung bemühen, die Satellitenbilder selbst sind in anderer Einfärbung auch bei Kachelmann frei für jeden verfügbar – mir ist hier jedoch die Überlagerung wichtig, denn …

Deformation des Höhendruckfelds

Zunächst zeigt die Entwicklung der Satellitenbilder die erwähnte Erwärmung der Wolkenobergrenzen, ein weiterer Beleg für die Präsenz eines „wake lows“

Spannend ist, dass der MCC im Zuge der Umwandlung in ein MCV die 500 hPa-Druckfläche deformierte. Es bildete sich ein kleiner Kurzwellentrog (Delle) mitten im Höhenrücken. Damit schwächte sich das keilinduzierte Absinken deutlich ab. Genau an der Vorderseite des Minitrogs befand sich die Bodenkonvergenz östlich von Wien, aus Outflow Boundary (starke Westwinde) und Ostwinde davor. Und so konnte die erneute Gewitterlinie zumindest noch für ein paar Stunden von dem Hebungsantrieb aus dem Trog heraus profitieren bzw. aus dem abgeschwächten Absinken. Nicht signifikant, aber doch ausreichend, um die Lebenszeit des verbleibenden Systems um etwa vier Stunden zu verlängern.

Zusammenfassung

Der Beginn einer denkwürdigen Nachtschicht fand über Zentralfrankreich statt. Es brauchte nur eine kräftige Höhenströmung, hohe Taupunkte und Hitzerekorde, um alle Zutaten anzurichten für die Bildung eines MCC und Derechos. Die ersten Gewitter entstanden gegen 16 Uhr Lokalzeit am Nordrand des Zentralmassivs bei 35-37°C Lufttemperatur und um 20°C Taupunkt. Die CAPE-Werte lagen laut Modellen bei 3000-4000 J/kg. Gegen 19 Uhr Lokalzeit sind die Gewitter zu einem großen Cluster (MCS) mit Tops im Bereich von -70°C verschmolzen. Stromabwärts waren die Taupunkte deutlich niedriger bzw. die Grenzschicht hochreichend (hochbasige Quellwolken), was sich auch in den Sondenaufstiegen gezeigt hat.

Die Gewitter entstanden in einem stark gescherten, hochlabilen Umfeld an der Vorderseite der Kaltfront. Durch die große Hitze vor den Gewittern konnte sich ein starkes Druckgefälle aufbauen. Gegen Mitternacht wurde die maximale Ausdehnung erreicht. Keraunos klassifizierte den Cluster als MCC. Die zurückgelegte Strecke mit Böen über 90 km/h reichte zudem aus, um ein Derecho zu klassifizieren. Beide Phänomene sind in Europa selten und zusammen noch viel seltener.

Die Lokalmodelle haben die Squall line und auch die Ausdehnung des Clusters recht gut erfasst, das europäische EZWMF zeigt bei starken Höhenströmungen und großer Hitze deutliche Schwächen in der Konvektionsparametrisierung, und zwar seit Tagen schon.

Im Nowcasting hat sich die Intensität der Squall line bestätigt: Markante Druckanstiege, große Druckdifferenzen, zahlreiche Meldungen von Orkanböen. Die präfrontalen Aufstiege erinnerten mich an das Derecho in Berlin am 10.7.2002, die Druckanstiege an die Squall line vom 18.08.2017. Die Inflow Winde waren teilweise beträchtlich und auch gut im Dopplerwindradar sichtbar, teils stürmische Böen aus Nord in das System hinein.

In weiterer Folge entwickelte das MCC eine eigene Zirkulation mit Bodentief und wandelte sich in ein MCV (Mesoscale Convective Vortex) um, beginnend ab etwa 01 Lokalzeit mit Höhepunkt 07 Lokalzeit, bevor sich der Cluster auflöste. Während der Umwandlung sanken die Obergrenzen deutlich ab, am stärksten an der Rückseite des Niederschlagsfelds. Die Erwärmung wurde durch die mesoskalige Querzirkulation mit dem Rear Inflow Jet verursacht. Dadurch entstand hinter dem Cluster ein mesoskaliges Bodentief („wake low„), das lokal zu rapider Erwärmung („heat bursts“) und erneuten Sturmböen geführt hat.

Es änderte sich aber auch die Eigendynamik des Clusters selbst. Die Squall line Gewitter an der Vorderkante entfernten sich zunehmend vom stratiformen „Cold Pool“-Bereich dahinter und wurden abwinddominant. Die Reflektivität verlagerte sich in die untern Schichten, statt weniger großer Aufwindbereiche entstanden mehrere kleinere Zellen wie an einer Perlenschnur. Damit sank das Hagelrisiko deutlich. Die vorlaufende Ouflow Boundary entfernte sich immer weiter vom Niederschlagsberich. Die ausströmende Kaltluft wurde damit seichter und konnte die hochlabile, aber stark gedeckelte Warmluft stromabwärts nicht mehr anheben, um neue Zellen zu generieren. Schwere Sturmböen gab es noch im Mostviertel und auf expnierten Stationen weiter östlich (Buchbergwarte, Jauerling, Tarschberg), aber nicht mehr im Flachland. Die Drucktendenzen flachten deutlich ab, von 5-6 hPa über Oberösterreich auf 1-2 hPa am Alpenostrand.

In der Früh hatte der MCC/MCV, mittlerweile in mehrere kleinere Cluster zerfallen, die großräumige Strömung so stark deformiert, dass auch in den Isolinien ein Kurzwellentrog sichtbar wurde. Die Delle passt genau zur Wirbelstruktur im Radar- und Satellitenbild. Östlich von Niederösterreich löste die Outflow Boundary nach Ende des Wienerwaldlees erneute Konvektion und Linienbildung aus. Diese profitierte anfangs vom deformierten Geopotential und dem verringerten Absinken, lief aber nach Osten zunehmend in die Keilvorderseite hinein und damit unter stärkeres Absinken.

In Wien schlug wieder einmal der Lurcheffekt zu: Gegen 03.30 Lokalzeit erreichte die seichte Outflow Boundary den Wienerwald mit 30-40kt, um 03.40 Lokalzeit das Stadtgebiet und um 04 Uhr Lokalzeit den Flughafen mit 40kt. Die relative Feuchte nahm dabei ab, die Temperatur blieb annähernd gleich: Westföhn über den Wienerwald!

Ereignis im Kontext der globalen Erderhitzung:

In den vergangenen Jahren fand bereits eine sichtbare Verlagerung des Subtropen-Hochdruckgürtels in den Mittelmeerraum statt. Dieses Jahr erleben wir rekordverdächtige Höchstwerte beim Geopotential und Rekordhitze (42,9 in Rom, 46,7 in Sardinien) im Mittelmeergebiet. Dieser „heat dome„ verschärft die Druck- und Temperatur-Gegensätze zum kühleren Nordsee/Nordatlantikbereich und damit die Höhenströmung. Dann reichen kleinere Dellen (Tröge), um die enormen CAPE-Werte und Scherungen in Unwetterfronten umzusetzen. Dieses Jahr sind sowohl Alpennordseite als auch der Süden und Balkan betroffen. Lokalmodelle nehmen in der Kurzfristprognose und im Nowcasting eine immer wichtigere Rolle ein.

Danksagungen: An User „freddytornado“ im Wetterzentraleforum für wertvollen Input zum Wake Low, an die Meteorologen-Community auf Twitter mit Liveberichterstattung und hilfreichen Modellhinweisen, an Kachelmannwetter für die Bereitstellung dieser unschätzbar wertvollen Kartenvielfalt und nicht zuletzt an meine Kollegen aus der Schicht, die bei der Bewältigung im Nowcasting ihren Dienst geleistet haben.