Synoptische Situation
Am 14. Januar um 00 UTC erstreckte sich ein steuerndes und hochreichendes Zentraltief mit entsprechendem Geopotentialminimum und mehreren Drehzentren von Island über das Europäische Nordmeer bis vor die Küste Norwegens und beeinflusste das Wettergeschehen in West- und Mitteleuropa. Über Großbritannien und weiter nach Süden bis in die Biskaya befand sich ein flacher Höhentrog mit schwacher Amplitude (Abb. 1). Die Großregion lag somit auf der Trogvorderseite unter einer zyklonal gekrümmten südwestlichen Höhenströmung. Im Bodendruckfeld befand sich Luxemburg zu diesem Zeitpunkt hinter einer (ersten) Kaltfront, die an den oben erwähnten Zentraltiefkomplex gebunden war.
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| Abb. 1: Analyse des Geopotentials und der Temperatur in 500 hPa, rot: PVA in 300 hPa | © wetter3 |
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| Abb. 2: Bodenanalyse 03 UTC | © Deutscher Wetterdienst |
Zwischen 00 und 03 UTC erfolgten über Nordfrankreich frontogenetische Prozesse, die durch einen leicht erhöhten Gradienten der äquivalentpotentiellen Temperatur und durch differentielle positive Vorticityadvektion (DPVA) an der Vorderseite des oben genannten Troges induziert wurden (Abb. 1). Entsprechend wurde vom Deutschen Wetterdienst um 03 UTC eine zweite Kaltfront analysiert (Abb. 2), die von Nordfrankeich über Benelux in den Westen Deutschlands zog und an die Trogvorderseite gekoppelt war. Während der weiteren Ostverlagerung über Deutschland schwächte sich die zweite Kaltfront zusehends ab und "vereinte" sich im Laufe des Vormittags mit der ersten Kaltfront.
Zudem kam es während der ersten Tageshälfte zu einer marginalen Amplifizierung des westeuropäischen Höhentroges wegen der starken Schichtdickenadvektion an der Vorderseite eines Tiefs westlich von Irland (Abb. 3). Dabei erfuhr die Trogachse eine leichte negative Neigung und dies führte wiederum zu einer Zunahme der Advektion vorderseitiger positiver Vorticity in 500 hPa.
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| Abb. 3: Analyse des Geopotentials und der Temperatur in 500 hPa um 12 UTC, rot: Trogachse, orange: PVA, violett: NVA | © wetter3 |
Um 12 UTC gelangte Luxemburg in den Bereich des rasch ostwärts ziehenden Kurzwellentroges, der in die leicht mäandrierende Frontalzone eingelagert war (Abb. 3). Im Trogbereich floss maritime und sehr labil geschichte Polarluft ein, wobei die Temperaturen in 500 hPa vorübergehend bis auf Werte um -35 °C zurückgingen. Desweiteren schob sich ein Jetstream in die Rückseite des Troges (Jetstreak quasi parallel zur Trogachse), so dass die Trogvorderseite von der Divergenz des linken Ausgangs des Jetstreams profitieren konnte.
Im Bodendruckfeld stand dieser kurzwellige Höhentrog mit einem flachen postfrontalen Bodentrog (inklusive Konvergenz) in Verbindung (Abb. 4).
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| Abb. 4: Bodenanalyse 12 UTC | © Deutscher Wetterdienst |
Ein weiteres synoptisches Merkmal war eine sogenannte Tropopausenfaltung während des Trogdurchgangs. Im Bereich der Trogachse konnte eine positive Anomalie der potentiellen Vorticity in der oberen Troposphäre festgestellt werden. Diese machte sich in einem markanten Absinken der dynamischen Tropopause (dicke violette Linie) bemerkbar (Abb. 5a). Weiterhin wurden die Isentropen (= Linien gleicher potentieller Temperatur) bis zu einer Höhe von etwa 350 hPa von der positiven PV-Anomalie sozusagen aufgesaugt (Abb. 5a). Darüber hatten die Isentropen die entgegengesetzte Krümmung. Außerdem war an der linken Flanke der PV-Anomalie eine sogenannte Dry Intrusion auszumachen: Stratosphärenluft, die aufgrund der sehr geringen stratosphärischen Wasserdampfkonzentrationen sehr trocken ist, drang bis in die untere Troposphäre ein (Abb. 5a). Weiterhin war die positive PV-Anomalie mit einer symmetrischen Jetstream-Struktur verbunden und entsprechend bewirkte diese Anomalie ihre eigene zyklonale Zirkulation (Abb. 5b). An der linken Flanke der positiven PV-Anomalie führte die Dry Intrusion in Kombination mit negativer Vorticityadvektion (NVA) zu Absinkprozessen, wohingegen postive Vorticityadvektion (PVA) im Bereich der Tropopausenfalte für Hebung sorgte (Abb. 5c).
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| Abb. 5a: Vertikalschnitt der rel. Luftfeuchte (grün, orange), Isentropen (schwarz) und PV (pink) von 50°N/20°W bis 50°N/20°O um 12 UTC © EUMETRAIN |
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| Abb. 5b: Vertikalschnitt des Windes (braun), Isentropen (schwarz) und PV (pink) von 50°N/20°W bis 50°N/20°O um 12 UTC © EUMETRAIN |
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| Abb. 5c: Vertikalschnitt der VA (grün), Isentropen (schwarz) und PV (pink) von 50°N/20°W bis 50°N/20°O um 12 UTC © EUMETRAIN |
Thermodynamische und kinematische Umgebung
Als
Referenz für die vertikale Schichtung der Atmosphäre während der Passage der zweiten Kaltfront werden nun an dieser Stelle
die Daten des Radiosondenaufstiegs aus Beauvechain (Belgien) verwendet, welcher um 23:31 Ortszeit gestartet wurde. In Abb. 6a ist das
dazu gehörige thermodynamische Diagramm in Form eines schrägen
T-log(p)-Diagramms dargestellt. Die rechte schwarze Zustandskurve ist
der Temperaturverlauf und die linke gestrichelte Kurve der Verlauf des
Taupunkts. Rechts neben dem Diagramm sind die Windpfeile für die
entsprechenden Höhen angegeben.
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| Abb. 6a | © IGMK |
Es folgt eine Auflistung der wichtigsten Parameter:
- 500 hPa Temperatur: -32,1 °C
- 500 hPa Wind: 65 kn (118 km/h)
- 850 hPa Temperatur: -2,5 °C
- 850 hPa Wind: 37 kn (67 km/h)
- 850 hPa pseudopotentielle Temperatur: 20 °C
==> Luftmassentyp: Subpolare Meeresluft (mP) - 850 - 600 hPa Lapse Rate: 18,3 °C
- Mixed-Layer Lifted Index (500 hPa): 0 °C
- Mixed-Layer CAPE: 20 bis 25 J/kg==> sehr schwache bis inexistente latente Instabilität
- KO-Index: 1 ==> labile atmosphärische Verhältnisse
- Höhe der Tropopause: 9,7 km (260 hPa)
- Schichtdicke 1000/500 hPa: 5294 gpm
- Ausfällbares Niederschlagswasser (PWAT): 12 bis 13 mm
- Windscherung 0-3 km: 22,6 m/s
- Windscherung 0-6 km (DLS): 37,5 m/s
- SRH 0-3 km: 300 m²/s²
Die durch den Trog einströmende Höhenkaltluft labilisierte die troposphärische Schichtung zwischen 900 und 500 hPa. Eine gut durchmischte bzw. trockenindifferente Schicht war zwischen 950 und 850 hPa auszumachen, wobei die Troposphäre oberhalb von 850 hPa bis in 500 hPa feuchtindifferent bzw. trockenstabil geschichtet war. Demnach waren mithilfe von synoptisch-skaligem Hebungsantrieb (DPVA) vertikale Umlagerungen bis hin zu kurzen Gewittern möglich. Die stürmischen niedertroposphärischen Winde (bis 55 kn in 700 hPa) konnten somit bei gegebener Konvektion bis in Bodennähe durchgereicht werden. Aufgrund der sehr starken hochreichenden Windscherung war linienförmig organisierte Konvektion durchaus denkbar.
Als
Referenz für die vertikale Schichtung der Atmosphäre während der Passage der positiven PV-Anomalie bzw. des Höhentroges werden nun an dieser Stelle
die Daten des Radiosondenaufstiegs aus Idar-Oberstein (Rheinland-Pfalz) verwendet, welcher um 11:45 Ortszeit gestartet wurde. In Abb. 6b ist das
dazu gehörige thermodynamische Diagramm in Form eines schrägen
T-log(p)-Diagramms dargestellt. Die rechte schwarze Zustandskurve ist
der Temperaturverlauf und die linke gestrichelte Kurve der Verlauf des
Taupunkts. Rechts neben dem Diagramm sind die Windpfeile für die
entsprechenden Höhen angegeben.
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| Abb. 6b | © IGMK |
Es folgt eine Auflistung der wichtigsten Parameter:
- 500 hPa Temperatur: -33,9 °C
- 500 hPa Wind: 56 kn (104 km/h)
- 850 hPa Temperatur: -4,1 °C
- 850 hPa Wind: 45 kn (83 km/h)
- 850 hPa pseudopotentielle Temperatur: 17 °C
==> Luftmassentyp: Subpolare Meeresluft (mP) - 850 - 600 hPa Lapse Rate: 18,9 °C
- Mixed-Layer Lifted Index (500 hPa): 0,9 °C
- Mixed-Layer CAPE: 5 bis 10 J/kg
- Surface-Based CAPE: 35 bis 50 J/kg==> sehr schwache bis inexistente latente Instabilität
- KO-Index: 2 ==> labile atmosphärische Verhältnisse
- Höhe der Tropopause: 7,3 km (380 hPa)
- Schichtdicke 1000/500 hPa: 5271 gpm
- Ausfällbares Niederschlagswasser (PWAT): 9 bis 10 mm
- Windscherung 0-1 km (LLS): 16,4 m/s
- Windscherung 0-6 km (DLS): 28,8 m/s
- SRH 0-3 km: 300 bis 400 m²/s²
Verifikation
Während der zweiten Nachthälfte vom 13. auf den 14. Januar zog zwischen 02 und 04 UTC eine Kaltfront über Luxemburg hinweg, die einem Höhentrog vorgelagert war. Das konvektive Niederschlagsband der Front enthielt linienförmige Segmente (Abb. 7a), die auf mögliche markante Windereignisse hindeuteten. Aufgrund der schnellen Frontverlagerung war Starkregen kein Thema, jedoch konnte stellenweise Graupel beobachtet werden. Die Frontpassage war von einem leichten Druckanstieg, einem Windsprung von Südwest auf West und einem Temperaturrückgang von etwa 2 bis 3 °C begleitet.
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| Abb. 7: Niederschlagsradaranimation von 01 bis 04 UTC | © MeteoGroup |
Der vertikale Impulstransport sorgte während des Frontdurchgangs verbreitet für stürmische Windböen, wobei punktuell sogar (schwere) Sturmböen gemessen werden konnten (Abb. 8), wie z.B. in Bettemburg (89 km/h) oder in Aachen (93 km/h). Dies lässt sich auf die lokal unterschiedlich stark ausgeprägte Konvektion zurückführen.
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| Abb. 8: Windspitzen (> 50 km/h) zwischen 00 und 06 UTC | © MeteoGroup |
Gegen Mittag erreichte die an die Bodenkonvergenz gebundene Feuchtekonvektion die Großregion. Dabei zogen vermehrt Schauerzellen über Luxemburg hinweg (Abb. 9), die punktuell wieder für stürmische Böen oder Sturmböen sorgten (Abb. 10), wie z.B. in Ulflingen (81 km/h). Insgesamt war die Konvektion an der nächtlichen Kaltfront aber wesentlich organisierter und stärker. In höheren Lagen (über 350 bis 500 Meter) konnte zeitweise auch die feste Niederschlagsphase beobachtet werden.
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| Abb. 9: Niederschlagsradaranimation von 11 bis 14 UTC | © MeteoGroup |
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| Abb. 10: Windspitzen zwischen 12 und 18 UTC | © MeteoGroup |
Auf den sichtbaren Satellitenbildern konnte der Durchgang der Trogachse gut nachvollzogen werden, denn westlich der Achse sorgte die Dry Intrusion in Kombination mit NVA für Wolkenauflösung und östlich der Achse sorgte kräftige PVA für Hebung (Abb. 11). Außerdem konnte vor der Ankunft der Trogachse einen leichten Druckfall und nach dem Durchgang einen markanten Druckanstieg von etwa 3 bis 4 hPa innerhalb von 3 Stunden gemessen werden.
Weiterhin zeigte das Airmass-Satellitenbild um 12 UTC die dünne Dry Intrusion von der nördlichen Nordsee bis in den Norden Frankreichs (cyanblauer Pfeil in Abb. 12).
Weiterhin zeigte das Airmass-Satellitenbild um 12 UTC die dünne Dry Intrusion von der nördlichen Nordsee bis in den Norden Frankreichs (cyanblauer Pfeil in Abb. 12).
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| Abb. 11: RGB-Satellitenbildanimation von 11 bis 14 UTC | © MeteoGroup |
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| Abb. 12: Airmass RGB-Satellitenbild um 12 UTC | © EUMETRAIN |
Trotz der geringen vertikalen Mächtigkeit der Konvektion (maximal 6 bis 8 km) produzierten manche Zellen elektrische Aktivitäten. Die höchste Blitzdichte konnte im Bereich von Lüttich und Aachen beobachtet werden, wobei elektrische Entladungen über Luxemburg nur sehr punktuell auftraten (Abb. 13).
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| Abb. 13: Detektierte Blitze zwischen 00 und 18 UTC | © nowcast GmbH, LINET view |
Generell handelte es sich also bei diesen geladenen Zellen um sogenannte Kaltluftgewitter. Der vertikale Temperaturgradient innerhalb der konvektiven Wolken lag bei etwa 25 bis 30 °C und die Wolkenluft befand sich größtenteils gänzlich im negativen Temperaturbereich, so dass durch Kollision von Eiskristallen mit unterkühlten Wassertröpfchen ein gewisses Maß an elektrischer Spannung erzeugt werden konnte.
Kaltluftgewitter sind in der Regel nicht vergleichbar mit sommerlichen Schwergewittern, insbesondere in Bezug auf Konvektionshöhe, Blitzaktivität und Niederschlagsintensität. Jedoch können unter besonderen atmosphärischen Bedingungen schwere lineare Windereignisse auch bei linienförmig organisierten Kaltluftgewittern auftreten.
Kaltluftgewitter sind in der Regel nicht vergleichbar mit sommerlichen Schwergewittern, insbesondere in Bezug auf Konvektionshöhe, Blitzaktivität und Niederschlagsintensität. Jedoch können unter besonderen atmosphärischen Bedingungen schwere lineare Windereignisse auch bei linienförmig organisierten Kaltluftgewittern auftreten.
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