Superzellen-Aufbau
Nur ein Bruchteil der auftretenden Gewitter kann auch tatsächlich als Superzellen bezeichnet werden, da fest definierte Kriterien wie das persistente Vorhandensein einer Mesozyklone erfüllt werden. Im Folgenden erfahrt ihr, unter welchen Voraussetzungen man von einer Superzelle spricht
Was bedeutet RFD und FFD?
Ein entscheidendes Charakteristikum einer Superzelle ist das Vorhandensein von zwei unabhängigen Abwindbereichen, wobei der hintere Abwind als RFD (Rear Flank Downdraft) und der vordere als FFD (Front Flank Downdraft) bezeichnet wird. Beide Abwinde umgeben den Aufwind und unterstützen die Langlebigkeit einer Superzelle.
Bei einem RFD handelt es sich um den rückseitigen Abwind, welcher sich auf der Rückseite der Mesozyklone bzw. dem Updraftbereich befindet. Zu unterscheiden ist hierbei zwischen einem trocken-warmen und feucht-kühlen RFD. Die Rotation führt dazu, dass in Folge einer durch die Mesozyklone verursachten Blockadesituation im Höhenwindfeld Luftpakete spiralförmig nach unten bewegt und hierbei adiabatisch erwärmt werden. Im Grunde stellt die Superzelle hierbei ein störendes Hindernis in den mittleren Atmosphärenschichten dar, da die Strömung beeinträchtigt wird und Luftpakete so zum Absinken gezwungen werden. Die adiabatische Erwärmung als Folge geringer Abkühlung und Feuchteanreicherung dieser absinkenden Luftpakete führt schließlich zur Ausbildung eines warmen und trockenen RFDs. Dieser RFD-Typ ist häufig visuell durch einen sogenannten Clear Slot erkennbar, welcher die Wallcloud umgibt. Es wird angenommen, dass dieser Bereich der Superzelle für die Produktion vieler superzellulärer Tornados wesentlich ist. Großer Hagel innerhalb des RFD erscheint häufig hell als Haken auf Wetterradarbildern und erzeugt das charakteristische Hakenecho, das häufig auf das Vorhandensein eines Tornados hinweist. Wie bereits erwähnt kann sich als zweite Variante auch ein feucht-kühler RFD entwickeln, wenn verdunstende Niederschlagspartikel ihrer Umgebungsluft latente Wärmeenergie entziehen.
Auch an der vorderen Flanke der Superzelle werden Luftpakete dynamisch zum Absinken gebracht, wobei der sogenannte FFD entsteht. Die Verdunstung von Niederschlagspartikeln führt hier zu Ausbildung eines feucht-kühlen Abwindbereichs, welcher in Form eines Niederschlagfelds visuell sichtbar wird. Auch hier besitzt die Mesozyklone einen starken Einfluss, da einfließende Luftpakete aufgrund der vertikalen Druckgradientkraft abgebremst und wieder dynamisch zum Absinken gezwungen werden. Häufig ist der Niederschlagskern an der vorderen Flanke durch eine Shelf Cloud begrenzt, welche sich durch die Niederschlagsabkühlung und die darauf folgende Interaktion mit feuchter Luft außerhalb der Superzelle bildet.
Was ist eine Mesozyklone?
Bei einer Mesozyklone handelt es sich um einen über einen längeren Zeitraum rotierenden Aufwind innerhalb einer Gewitterzelle. Insbesondere bei Superzellen rotiert der Aufwindbereich persistent und hochreichend, wobei sich häufig mindestens ein Drittel des Aufwinds in Rotation befindet. Grundlage der Entstehung einer solchen Rotationsbewegung ist eine starke vertikale Scherung des horizontalen Windes, wobei der sogenannte „Tilting Term“ der Vorticitygleichung zu einer horizontalen Rotation führt. Innerhalb der Mesozyklone herrscht weitgehend zyklostrophisches Windgleichgewicht. Dies bedeutet, dass ein Ausgleich zwischen Druckgradient- und Zentrifugalkraft herrscht. Aufgrund des extrem niedrigen Drucks im Mesozyklonenzentrum können sehr hohe Vorticitywerte resultieren. Auch die Persistenz einer Mesozyklone nimmt eine große Rolle ein, denn das mindestens 30-minütige Vorhandensein einer Mesozyklone ist ein Entscheidungskriterium für die spätere Bewertung einer möglicherweise superzellulären Entwicklung. Kennzeichen und Bedingung für die lange Lebensdauer einer Superzelle ist hierbei die räumliche Trennung von Auf- und Abwindbereich, wobei die kalten Abwinde das Aufsteigen der Warmluft nicht behindert.
Die Mesozyklone besitzt meist einen Durchmesser von zwei bis zehn Kilometer und es können Geschwindigkeiten im Aufwindbereich von bis zu 40 m/s erreicht werden. Gerade aufgrund dieser Charakteristika ist es möglich, dass der im Aufwindbereich transportierte Hagel teilweise enorme und schadensträchtige Ausmaße annimmt. Eine Differenzierung ist insbesondere bezüglich der Positionierung der Mesozyklone vorzunehmen, da sich diese an verschiedenen Bereich des Aufwinds befinden kann. Zu Beginn befindet sich die Mesozyklona meist in der Mitte des Aufwindbereichs (mid-level mesocyclone), also exakt zwischen Zellbasis und Eisschirm. Abhängig von der Langlebigkeit kann sich die Rotation schließlich bis zur Aufwindbasis vorarbeiten, in diesem Fall spricht man von einer bodennahen low-level mesocyclone. Langlebige Mesozyklonen mit signifikanter vertikaler Ausdehnung können in Beobachtungsdaten von Doppler-Wetterradarsystemen typische Signaturen hinterlassen und dadurch detektiert werden.
Was ist eine Wallcloud?
Eine Wallcloud liefert für Meteorologen und Sturmjäger den Hinweis, dass eine Schwergewitterzelle ein erhöhtes Unwetterpotenzial mit sich bringt, da sie auf einen intensiven und organisierten Aufwindbereich schließen lässt. Grundsätzlich stellt die Wallcloud kein unabhängiges Risiko dar, sie kann jedoch ein Vorzeichen für ernstzunehmende Ereignisse wie Großhagel oder Tornados sein.
Essentielle Voraussetzung einer Wallcloud ist ein hoher Organisationsgrad der Gewitterzelle, wobei eine persistente Trennung von Auf- und Abwindbereich im Fokus steht. Per Definition handelt es sich bei der Wallcloud um eine räumlich begrenzte Absenkung des Kondensationsniveaus, wodurch die Wolkenbasis lokal deutlich herabgesetzt ist. Beim Kondensationsniveau handelt es sich um diejenige Höhe, auf welcher ein aufsteigendes Luftpaket feuchtigkeitsgesättigt ist (Lufttemperatur=Taupunkt) und so zur Auskondensierung der Feuchtigkeit führt. Um eine solche Absenkung zu bewirken, ist wie bereits erwähnt ein ausgesprochen starker Aufwind erforderlich. Dieser kann neben der feuchtwarmen Luftpakete auch einen Teil des Abwinds (verursacht durch den Hauptniederschlag) erfassen. Es erfolgt also ein vertikaler Transport von feuchtwarmen Luftmassen aus der Umgebung der Superzelle und feuchtkalter Luftmassen aus dem Abwindbereich. Die sehr feuchte Luft aus dem Abwindbereich beginnt im Laufe des Vertikaltransports im Bereich der stärksten Einströmung im niederschlagsfreien Bereich zu kondensieren und führt schließlich zur Ausbildung der Wallcloud. Sie kann zwischen einem Bruchteil eines Kilometers und über 8 Kilometern breit sein. Die Wallcloud neigt sich hierbei nicht selten zum Abwind hin und es bildet sich ein schmales Wolkenband aus, welchen bis in den Abwindbereich reicht. Dieses Wolkenband wird als Tailcloud bezeichnet und gibt einen Hinweis darauf, dass feuchte Luftmassen aus dem Abwindbereich vom Aufwind angesaugt werden.
Summa summarum ist das Vorhandensein einer Wallcloud für einen Sturmjäger von hohem Interesse, da der hohe Organisationsgrad der Gewitterzelle bestätigt wird. Noch spannender wird es dahingehend natürlich, wenn an der Wallcloud zusätzliche Rotationsbewegungen erkennbar sind. Diese meist zyklonale Rotation ist häufig ein zusätzliches Indiz für die Existenz einer Mesozyklone und kann auf ein erhöhtes Tornadorisiko hinweisen. Ob es sich jedoch tatsächlich um eine Mesozyklone, also einen persistent rotierenden Aufwind, handelt, sollte jedoch stets mithilfe zusätzlicher Tools wie den Doppler-Sweeps verifiziert werden. Zwar treten Wallclouds häufiger unter rotierenden Aufwinden auf, dieser ist jedoch nicht zwingend zur Bildung der Wallcloud erforderlich. Hervorzuheben ist, dass eine rotierende Wandwolke der Bereich einer Superzelle ist, in dem am wahrscheinlichsten Tornados und die überwiegende Mehrheit der intensiven Tornados auftreten. Typischerweise bildet sich die Wallcloud etwa 10 bis 20 Minuten vor der Tornadogenese aus.