QLCS und Starkwindereignis am 16. September 2015

Synoptische Ausgangslage

Am 16. September um 12 UTC  befand sich Luxemburg auf der Vorderseite eines Langwellentroges im Bereich einer straffen südwestlichen Höhenströmung (Abb. 1, links). Ein kurzwelliger Randtrog verlagerte sich dabei von der Biskaya zum Ärmelkanal und korrespondierte mit einer starken positiven PV-Anomalie (Abb. 1, Mitte). Vorderseitig dieses Randtroges (bzw. dieser Anomalie) sorgte vor allem starke differentielle PVA für markante quasi-geostrophische Hebungsantriebe. Ferner geriet die Großregion im Laufe des Nachmittags unter den leicht diffluenten Ausgangs-bereich des polaren Jetstreams (Abb. 1, rechts), welcher entlang der hyperbaroklinen West- und Südflanke des Langwellentroges verlief.

Abb. 1: Höhenanalysen des amerikanischen Wettermodells GFS vom 16.09.15 um 12 UTC: 500 hPa (links), Druckhöhe der Theta=320 K isentropen Fläche (Mitte) und 300 hPa (rechts). Die dicken schwarzen Linien stellen das Geopotential (in gpdam) dar und die weißen durchgezogenen und gestrichelten Linien (rechts) die horizontale Divergenz (in 10^-5 1/s). Die Farbflächen links entsprechen der Temperatur (in °C), in der Mitte der potentiellen Vorticity (in PVU) und rechts der horizontalen Windgeschwindigkeit (in kn). Quelle: www1.wetter3.de/Archiv/.

Im Bodendruckfeld war der langwellige Höhentrog mit dem Tiefdruckgebiet "Ex-Henri" (ehemaliger Tropensturm "Henri", der in die polare Frontalzone eingegliedert wurde ==> extratropische Umwandlung) verbunden, welches um 12 UTC im Bereich der Bretagne einen Kerndruck von etwa 983 hPa besaß (Abb. 2, links). Bis 21 UTC zog das Tief unter stagnierender Intensität zur Nordsee. Bereits in den Morgenstunden zog die Warmfront des Tiefs über Luxemburg hinweg, wobei im Warmsektor eine ausgeprägte niedertroposphärische Advektion subtropischer Luftmassen stattfand. Die aus Südwesten hereinziehende Kaltfront sorgte für zusätzliche Hebungsimpulse und neigte zu Wellenbildungen (Abb. 2, rechts).

Abb. 2: Bodenanalysekarten vom 16.09.15 um 12 UTC (links) und 15 UTC (rechts). Quelle: Deutscher Wetterdienst.

Im Vorfeld der Kaltfront befand sich eine Zone mit schwacher bis moderater latenter Labilität, die vom Atlantik nach Frankreich advehiert wurde. Da über dem Nordosten Frankreichs keine Radiosondenaufstiege durchgeführt werden, wird an dieser Stelle auf Modellanalysen zurückgegriffen. Das französische Modell AROME analysierte/simulierte MUCAPE-Werte zwischen 400 und 1400 J/kg über dem Norden Frankreichs (Abb. 3, links). Die beiden Globalmodelle GFS und ECMWF  ließen die MLCAPE-Werte auf bis zu 800 J/kg steigen. Gemessene Temperaturen von bis zu 25°C und Taupunkte von bis zu 18°C in Nordostfrankreich lassen diese Werte plausibel erscheinen. Dieses präfrontale Gebiet mit verfügbarer Labilitätsenergie schwächte sich jedoch mit der weiteren nordostwärtigen Verlagerung in Richtung Westdeutschland zunehmend ab. Des Weiteren führten Oberwinde von rund 74 kn (137 km/h) in 700 hPa zu einer sehr starken Geschwindigkeitsscherung des Horizontalwindes (siehe 17 UTC Radiosondenaufstieg aus Idar-Oberstein). DLS belief sich auf Werte um 30 bis 35 m/s und LLS betrug ungefähr 20 bis 25 m/s  (Abb. 3, rechts). Außerdem lag eine markante Richtungsänderung des Windes in den unteren 1500 m vor (Rechtsdrehung; Abb. 3, rechts), so dass die SRH zwischen 0 und 1 km auf rund 300 m²/s² (!) stieg.

Abb. 3: MUCAPE-Analyse des Wettermodells AROME 0.025° vom 16.09.15 um 12 UTC (links) und Vertikalprofil des Horizontalwindes des 17 UTC Radiosondenaufstiegs aus Idar-Oberstein (rechts, erstellt mit RAOB). Quelle: www.infoclimat.fr (links).

Zusammenfassend kann also auf Basis der gesamten synoptischen Ausgangssituation schlussgefolgert werden, dass es zu einer Überlappung von schwacher bis mäßiger Labilität, sehr starker vertikaler Windscherung und stark ausgeprägten synoptischskaligen Hebungsantrieben kam. Aufgrund der sehr hohen Helizitätswerte war in Kombination mit einem erhöhten Risiko für das Auftreten von organisierter hochreichender Feuchtekonvektion ein gewisses Tornadopotential nicht von der Hand zu weisen.

Ablauf des konvektiven Wettergeschehens

Um 12 UTC befanden sich südlich von Paris im Bereich der Kaltfront (siehe markanten Gradienten der äquivalentpotentiellen Temperatur) bereits einige aktive Gewitterzellen (Abb. 4, links), die aus einem von der Biskaya hereinziehenden Wolken-gebilde hervorgingen. Während der folgenden Stunde kam es zu einer sehr kräftigen konvektiven Neuentwicklung südlich von Auxerre, woraus ein linienhaft angeordneter Gewitterherd entstand, der sich um 13:30 UTC von Troyes (Region Champagne-Ardenne) bis nach Château-Chinon (Region Burgund) erstreckte (markiert mit einem schwarzen Pfeil in Abb. 4, rechts). Diese Gewitterlinie besaß zu diesem Zeitpunkt Wolkenoberflächentemperaturen von bis zu -67°C (Quelle), was einer Wolkenobergrenzenhöhe von etwa 13 bis 14  km entspricht. Nördlich davon konnte auch über der Mitte der französischen Region Champagne-Ardenne eine leichte Intensivierung der Gewitterzellen beobachtet werden (markiert mit einem weißen Pfeil in Abb. 4, rechts).

Abb. 4: Niederschlagsradarbilder vom 16.09.15 um 12 UTC (links) und 13:30 UTC (rechts). Quelle: Deutscher Wetterdienst.

Im weiteren Verlauf verbanden sich die beiden genannten Gewitterschwerpunkte, wobei sich der nördliche Teil über dem Norden der Champagne-Ardenne (östlich von Reims) teils abschwächte (Abb. 5, rechts). Im Gegensatz dazu verlief die konvektive Entwicklung zwischen Troyes (Region Champagne-Ardenne) und Bar-le-Duc (Region Lothringen) mit extremer Intensität, was zum einen an der sehr hohen Blitzrate erkennbar war (Abb. 5, rechts) und zum anderen an der zunehmenden Bogenform der Radarreflektivitäten. Bis etwa 14:30 UTC bildete sich eine gut organisierte und mesoskalige Gewitterlinie über Nordostfrankreich aus (Abb. 5, links), die als QLCS (engl. Quasi-Linear Convective System) bezeichnet werden kann. Aufgrund der Entwicklung eines Bow Echos innerhalb dieses linearen Gewittersystems kann zudem von einem LEWP (engl. Line Echo Wave Pattern) gesprochen werden. 

Abb. 5: Niederschlagsradarbild vom 16.09.15 um 14:30 UTC (links) und detektierte Blitze (Erd- und Wolkenblitze) am 16.09.15 zwischen 13:30 und 14:30 UTC (rechts). Quellen: Deutscher Wetterdienst (links), nowcast GmbH (rechts).

Das bogenförmige Segment innerhalb des QLCS, welches sich gegen 14:30 UTC über Bar-le-Duc befand, verlor während der nordostwärtigen Verlagerung in den Norden Lothringens zusehends an Intensität und Organisation (Abb. 6, links), was höchstwahrscheinlich auf die zunehmende Dominanz des sogenannten Rear-Inflow Jets (RIJ) zurückzuführen ist (führt zu Abschwächung der Aufwindzone). Allerdings intensivierte sich die Konvektion nordwestlich des Bogenechos erheblich und dieser krätige Gewitterherd erreichte gegen 15 UTC den äußersten Südosten Belgiens (Abb. 6, links).
Zu diesem Zeitpunkt ist außerdem ein ausgeprägter Rear-Inflow Notch (RIN, Einkerbung der Radarreflektivität an der Rückseite des Gewitters) auf dem Radarbild ersichtlich (markiert mit einem schwarzen Pfeil in Abb. 6, rechts) und dies ist ein deutlicher Hinweis auf die Aktivität eines (trockenen) RIJs.

Abb. 6: Detektierte Blitze (Erd- und Wolkenblitze) am 16.09.15 zwischen 14:30 und 16:00 UTC (links) und Niederschlagsradarbild vom 16.09.15 um 15:00 UTC (rechts). Quellen:  nowcast GmbH (links), Deutscher Wetterdienst (rechts).

Mit der weiteren Annäherung des über Lothringen befindlichen Bogenechos an Luxemburg bildete sich ein ein mesoskaliger Wirbel (engl. low-level mesovortex), der relativ deutlich auf den Radarbildern zu sehen war (weiß umkreist in Abb. 7). Ferner sei darauf hingewiesen, dass dieser Wirbel nicht mit der Mesozyklone einer Superzelle verwechselt werden sollte. Dieser sogenannte Mesovortex zog mit schwacher bis mäßiger Blitzaktivität (Abb. 6, links) zwischen 15 und 16 UTC über das Großherzogtum hinweg. Darüber hinaus war die Präsenz eines RIJs in den Radialwinddaten durch das Aliasing sichtbar (hellroter Bereich im Grünen auf dem Radarbild um 15:30 UTC, noch deutlicher um 16 UTC), obwohl die Scans zwischen 15 und 16 UTC keine besonders eindeutigen Signaturen lieferten.

Abb. 7: Niederschlagsradarbild vom 16.09.15 um 15:30 UTC. Die Lage des RIJs ist mit dem Pfeil markiert. Quelle: MeteoGroup.

Das QLCS samt Bogenecho sorgte über den nordfranzösischen Regionen Champagne-Ardenne und Lothringen für Gewitterfallböen, die stellenweise orkanartige Stärke und Orkanstärke (> 118 km/h) erreichten (Abb. 8). Im Süden Luxemburgs konnten Sturmböen verzeichnet werden (Petingen 83 km/h, Bartringen 81 km/h und Bettemburg 80 km/h; Quelle), wobei die aufgetretenen Windschäden auf deutlich höhere Windspitzen hindeuten (siehe nächsten Abschnitt). Weiterhin typisierte das französische Gewitter-Observatorium KERAUNOS dieses konvektive Extremereignis als Derecho mit geschätzten Fallböen von bis zu 180 km/h über Nordostfrankreich (Quelle), die mit hoher Wahrscheinlichkeit durch den absinkenden RIJ im Bereich des Bogenechos verursacht wurden. 

Abb. 8: Gemessene Spitzenböen (in km/h) am 16.09.15 zwischen 12 und 18 UTC. Quelle: MeteoGroup.

Ursachendiskussion der Windschäden

Mit dem Durchgang des oben erwähnten Mesovortex (zwischen 15:20 und 16:00 UTC) traten im Südwesten und in der Mitte Luxemburgs - vor allem im Kanton Mersch - signifikante Windschäden auf (Quelle). Die Ursachenforschung gestaltete sich relativ schwierig, da zwei verschiedene Windphänomene zu den beobachteten Schäden an Infrastruktur und Vegetation beitrugen. Zum einen könnte der absinkende RIJ (Abb. 7) als Ursache gehandelt werden, denn die Zugbahn des RINs korrespondierte gut mit Schadensmeldungen. Zum anderen kommt auch noch ein wirbelhaftes Windereignis in Frage, weil in manchen Gegenden des Kantons Mersch konvergente Wurfmuster (Abb. 10) oder schmale Schadensschneisen dokumentiert werden konnten, die nicht auf eine geradliniges Windereignis zurückgeführt werden können. Außerdem liegen mehrere Augenzeugenberichte vor (Quelle), die darauf hindeuten, dass eine wirbelhafte Kraft im Spiel gewesen sein muss. Zudem konnte eine weit herabreichende Trichterwolke fotografiert werden (Abb. 9). Demzufolge kann von einem (oder mehreren) Tornadoereignis(sen) im Kanton Mersch ausgegangen werden, wobei an dieser Stelle keine Detailanalyse (Einstufung der Stärke, genaue Lokalisierung der Schäden, etc...) durchgeführt werden kann. Die Interaktion zwischen dem absinkenden RIJ und dem Mesovortex in Präsenz einer sehr starken niedertroposphärischen Richtungs- und Geschwindigkeitsscherung des Windes war höchstwahrscheinlich essentiell für diese Entwicklung.

Abb. 9: Trichterwolke beobachtet vom Standort Junglinster.

Abb. 10: Windschäden im Wald südwestlich von Mersch.