Windscherung
Dieser Parameter gehört für die meisten Stormchaser zu den wichtigsten Variablen einer anstehenden Gewitterlage und ist meist auch ein Kriterium, inwieweit sich ein Chasing über die Grenzen hinweg „rentiert“. Doch was ist eigentlich „Scherung“ und was hat diese mit der Entstehung von Superzellen zu tun?
Geschwindigkeits- und Richtungsscherung
Allgemein beschreibt die Scherung eine vertikale Änderung des Horizontalwindes. Zwar existiert auch eine horizontale Scherung, diese wird in der folgenden Betrachtung jedoch vonseiten des Autors vernachlässigt. Relevant ist jedoch, dass teilweise bei einer starken horizontalen Scherung auch eine vertikale Scherung vorhanden sein kann, als Beispiel sei hier der Jetstream genannt. Zur Einschätzung des Organisationsgrades von Schwergewitterzellen betrachtet man grundsätzlich die Änderungen der Windgeschwindigkeit und der Windrichtung zwischen zwei Punkten, wobei zwei direkt übereinanderliegende Luftschichten mit unterschiedlichen Eigenschaften aneinander vorbeiströmen. Bei der Interaktion zwischen einem Aufwindbereich und einer gut gescherten Umgebung entsteht ein dynamisches Druckfeld um den Aufwind, welches maßgeblichen Einfluss auf die Struktur und Intensität der Gewitterzelle besitzt. Aus diesem Grund besteht auch bei verhältnismäßig geringen CAPE-Werten die Möglichkeit, dass ein rotierender und langlebiger Aufwindbereich resultiert. Die vertikale Scherung bezieht sich im Allgemeinen auf Höhen zwischen 0 und 6 Kilometern, eine differenziertere Betrachtung erfolgt im Rahmen der kommenden Artikel. Liegt eine geringe Scherung vor (<10 m/s), fällt der Organisationsgrad der Gewitter gering aus und es entstehen primär Einzelzellen mit einer relativ kurzen Lebensdauer. Erst ab einer mäßig starken Scherung von 20 m/s steigt das Risiko rotierender Aufwinde damit der Entstehung von Superzellen. Im Falle einer Superzelle bildet sich bekanntlich eine Mesozyklone, hierbei handelt es sich um einen über einen längeren Zeitraum rotierenden Aufwind. Der Aufwindbereich rotiert hierbei persistent und hochreichend, wobei sich häufig mindestens ein Drittel des Aufwinds in Rotation befindet.
Zu unterscheiden sind zwei Formen der Scherung: Die Geschwindigkeitsscherung und die Richtungsscherung. Bei der Geschwindigkeitsscherung liegt keine Drehung des Windvektors in der Höhe vor, die Erhöhung der Geschwindigkeit mit der Höhe begünstigt jedoch beispielsweise das sogenannte Stormsplitting. Hierbei findet eine Trennung des Aufwindbereichs statt, es resultieren zwei unabhängige Superzellen mit einer Mesozyklone und einer Mesoantizyklone. Die Mesozyklone wird hierbei als Rightmover bezeichnet, die Mesoantizyklone als Leftmover. Beide Superzellen besitzen hierbei das Potenzial für extreme Begleiterscheinungen wie Großhagel, jedoch besitzt der Rightmover in der Regel eine längere Lebensdauer, da dessen Mesozyklone im Gegensatz zum Leftmover nicht mit dem eigenen Abwindbereich interagiert.
Im Falle der Richtungsscherung findet eine Drehung des Windes in der Höhe statt, wobei diese in vielen Fällen gleichsam mit einer Änderung der Windgeschwindigkeit korreliert. Durch die Drehung des Windvektors erlangt der Aufwindbereich einer entstandenen Zelle schnell eine vertikale Rotationskomponente und ein hoher Organisationsgrad wird wahrscheinlicher. Abhängig von der hierbei resultierenden Drehbewegung wird eine fortlaufende Trennung von Aufwind- und Abwindbereich der Zelle begünstigt. Die Richtungsscherung in Mitteleuropa befindet sich in den meisten Fällen im Uhrzeigersinn, weshalb sich zumeist eine sogenannte rechtsausscherende Superzelle entwickelt.
Low-Level Shear (LLS) und Deep-Layer Shear (DLS)
Neben der Differenzierung zwischen der bereits betrachteten Geschwindigkeits- und Richtungsscherung sollte der versierte Leser auch eine Analyse der jeweils betroffenen Schicht in der Atmosphäre vornehmen. Das Ausmaß der Scherung in der jeweiligen Atmosphärenschicht in Kombination mit der vorhandenen Labilitätsenergie (CAPE) beeinflusst in hohem Maße das Warnmanagement der Wetterdienste und die einhergehende Gebietseingrenzung für Sturmjäger.
Das größte Interesse zur Beurteilung einer potenziellen Schwergewitterlage bringt vermutlich die Scherung in 0-6km Höhe mit sich, welche auch als „deep-layer shear“ (DLS) bezeichnet wird. Betrachtet wird hierbei die vertikale Scherung des Horizontalwinds zwischen Bodenniveau und einer Höhe von 6 Kilometern. Die DLS bringt einen hohen Einfluss für die Lebensdauer einer konvektiven Zelle und das Potenzial zur Entstehung superzellulärer Entwicklungen mit sich. Liegt die Scherung in 0-6 Kilometern um oder unter 10 m/s (etwa 20kn), ist die Wahrscheinlichkeit langlebiger und rotierender Aufwinde gering. Ein deutlich erhöhtes Risiko von Superzellen existiert ab DLS-Werten von mehr als 20 m/s, da der Niederschlagsbereich und der korrespondierende Abwindbereich zunehmend vom Aufwind der Zelle getrennt wird. Moderate DLS-Werte zwischen 10 und 20 m/s treten meist im Zusammenhang mit sogenannten Multizellen(clustern) auf, wobei diese über einen längeren Zeitraum hinweg innerhalb eines größeren Komplexes fortbestehen können.
Neben der Scherung in höheren Atmosphärenschichten kann auch eine Windänderung in der unteren Schicht zwischen Bodenniveau und einem Kilometer Höhe eine große Relevanz für bestimmte Extremwettererscheinungen mit sich bringen. Dieser Parameter wird auch als Low-Level-Shear (LLS) bezeichnet, er beschreibt demzufolge die Änderung des Windes im unteren Atmosphärenniveau und ist insbesondere zur Einschätzung des Tornadorisikos relevant. Zwar hängt die Tornadogenese von zahlreichen anderen Parametern ab, jedoch wird allgemein ab einem LLS-Wert von 10 m/s (etwa 20 Kn) von einem erhöhten Tornadorisiko ausgegangen. Bezüglich der Entstehung von Superzellen nimmt die LLS eine eher geringe Rolle ein, da zur Trennung von Auf- und Abwind die Scherung in der mittleren und oberen Troposphäre eine deutlich größere Relevanz einnimmt. Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass hohe LLS-Werte auch die Ausbildung linien- bzw. bogenförmiger Strukturen (bow echo) begünstigen oder erst möglich machen.
Neben DLS und LLS spielt bei der Beurteilung einer Schwergewitterlage auch die sogenannte Storm-Relative Helicity (SRH) eine entscheidende Rolle, mit welcher die Änderung des Windes im Atmosphärenniveau zwischen zwei und drei Kilometern abgeleitet werden kann. Die SRH ist ein Kombinationswert der Geschwindigkeits- und Richtungsscherung und zeigt das Potenzial einer zyklonalen Aufwindrotation. In Abhängigkeit des Ausmaßes der Rotation der aufwärts steigenden Luftmasse kann abgeleitet werden, inwieweit das Risiko einer Superzellenbildung bzw. einer organisierten Konvektion vorliegt.
Storm-Relative Helicity (SRH)
Der Begriff der Helizität (Helicity) wird verwendet, um das Ausmaß der Rotation eines aufströmenden Luftpakets darzustellen. Im Feld der Gewitterprognose hat sich insbesondere die Analyse der sogenannten Storm-Relative Helicity (SRH) als wichtig erwiesen. Die SRH ist hierbei ein Kombinationswert der Geschwindigkeits- und Richtungsscherung und zeigt das Potenzial einer zyklonalen Aufwindrotation. In Abhängigkeit des Ausmaßes der Rotation der aufwärts steigenden Luftmasse kann abgeleitet werden, inwieweit das Risiko einer Superzellenbildung bzw. einer organisierten Konvektion vorliegt. Demzufolge kann mit diesem Parameter die Änderung der Richtung und Geschwindigkeit des Windes in den unteren 2000 oder 3000 Metern der Troposphäre abgeleitet werden. In einfachen Worten ausgedrückt: Je höher der SRH-Parameter, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Aufwind einer Gewitterzelle zu rotieren beginnt.
Das Ausmaß der Helizität wird angegeben in m²/s², wobei ab einem Wert von 100 m²/s² von einem schweren Gewitter ausgegangen werden kann. Überschreitet der Wert den Bereich von 150 m²/s², muss mit einem erhöhten Risiko einer Tornadobildung gerechnet werden. Ein eindeutiger SRH-Schwellenwert zur Vorhersage von Superzellen existiert nicht, da die Bildung von Superzellen laut dem Storm Prediction Center (SPC) stärker mit der vertikalen Scherung in tieferen Schichten (deep-layer shear) in Zusammenhang zu stehen scheint. Selbstredend kann ein Schwergewitter auch bei sehr hohen SRH-Werten nicht entstehen, wenn weitere relevante Parameter wie Labilität und Hebung nicht erfüllt werden.