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Superzellen

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Superzellen - eine treffende Bezeichnungsweise für die mächtigsten Gewitterwolken der Erde.

Charakteristiken von Superzellen

Im folgenden geht es speziell um Superzellen, welche häufig die Geburtsstätte für Tornados sind:

Tornado über Oklahoma
Alfalfa Tornado über Oklahoma am 22. Mai 1981

M.G.H. Ligda benutzte 1951 im Kontext mit starken lokalen Stürmen (engl. severe local storms) erstmalig das Präfix meso-. Diese Stürme sind aus mindestens 2 Gründen von großem Interesse:

  • wegen ihrer speziellen Eigendynamik
  • wegen ihrer vielfach zerstörerischen Auswirkungen. [ -> Atlas, 1976: 100 Tote und 2000 Verletzte pro Jahr allein in den USA ]
Der Begriff "severe local storm" ist dabei nicht eindeutig definiert, aber man denkt dabei an kräftige Cumulonimbus-Wolken mit starker Blitzaktivität Foto, Hagel Foto und evtl. auch Tornados.

In Bezug auf Cumulonimbuswolken (=Gewitterwolken) trifft man folgende Unterscheidung von 3 Typen:

  • Einzelzelle [ single-cell storm ]
  • Multizellensturm [ multi-cell storm ]
  • Superzelle [ super-cell storm ] Foto
Ein Maß für die Beurteilung der Stärke einer zu erwartenden Konvektion liefert die sogenannte konvektive verfügbare potentielle Energie (convective available potential energy, Abk.: CAPE). Dies ist ein Energiemaß, welches anschaulich diejenige Energiemenge beziffert, welche für eine mögliche konvektiv-turbulente Umlagerung aufgrund der aktuellen Schichtung der Erdatmosphäre zur Verfügung steht. Was diese CAPE jedoch nicht liefert, ist eine Aussage über die mesoskalige Organisation eines zu erwartenden Sturms. Hier ist insbesondere die vertikale Windscherung, d.h. die Änderung der Windgeschwindigkeit mit der Höhe, sowie die vertikale Winddrehung wichtig.

Wenn die vertikale Windscherung nur schwach ist (<10m/s unterhalb von 4km Höhe), dann entwickeln sich lediglich die typischen Einzelzellen (lokale Wärmegewitter) mit Lebensdauern von etwa 30min. Falls die vert. Windscherung Werte zwischen 10 und 20m/s unterhalb von 4km erreicht, entwickeln sich bereits Multizellenstürme, wobei die Einzelzellen jeweils wieder Lebensdauern von ca. 30min haben, das ganze System jedoch mehrere Stunden aktiv sein kann. Ist die vertikale Windscherung sehr groß (>20m/s unterhalb von 4km), so können sich Superzellen entwickeln. Die Entwicklung bis zum Reifestadium einer Superzelle selber jedoch kann wegen der starken Windscherung auch in sehr labilen Schichtungen noch über eine Stunde dauern. Dies liegt daan, weil die Wolke während ihrers vertikalen Wachstum am Oberrand sehr stark seitwärts verdriftet und förmlich zerissen wird, wenn der Aufwindkanal noch nicht kompakt und stark genug ist.

Die Superzelle

Der Ausdruck Superzelle wurde 1962 erstmalig von Browning benutzt. Er wollte damit weniger die besondere Form einer Gewitterzelle im Reifestadium beschreiben als vielmehr die Eigenschaften, die eine solche Zelle hat. Eine Superzelle

  • ist bedeutend größer als einzelne Cumulonimbuswolken
  • wesentlich langlebiger
  • erzeugt deutlich intensivere Wettererscheinungen als eine normale Gewitterzelle
  • hat eine hochgradig organisierte interne dynamische Struktur
  • tritt nur bei starker vertikaler Windscherung auf
  • bewegt sich kontinuierlich in Richtung der Winde der mittleren Troposphäre

Superzellen treten vornehmlich in einem synoptischen Grundzustand folgender Art auf:

  • sehr große Instabilität, thermischer Auftrieb gemäß der Luftpaket-Methode in 500mb größer als plus 4 Grad Celsius
  • starke Winde unterhalb der Wolke (10m/s )
  • starke Windscherung innerhalb der Wolke (Werte zwischen 0.0025 bis 0.0045 1/s
  • starke vertikale Winddrehung (bis zu 90 Grad)
Desweiteren ist zu beobachten, daß häufig ganze Ketten von Multizellen- und/oder Superzellenstürmen entlang einer sogenannten squall line organisiert auftreten.

Superzellen über Oklahoma und Nordtexas
Mehrere Superzellen über Oklahoma und Nordtexas am 06.04.2003 vom Satelliten GOES 8 aus gesehen. Typisch ist die mehrere hundert Kilometer weit nach Nordosten reichende Verdriftung der Cirrusschirme durch den Subtropenjet. Unter den orangefarbenen Pfeilspitzen liegen die konvektive Zone.

Neben diesen deskriptiven Charakteristiken von Superzellen existieren mittlerweile auch einige wenige theoretisch-analytische Konzepte zur internen Dynamik. Es ist jedoch zu bemerken, daß diese Konzepte eher die Ausnahme darstellen. Wesentlich verbreiteter ist auf theoretischer Ebene die numerische Simulation, die einen Großteil des heutigen Wissensstandes geliefert hat. Auf praktischer Ebene können insbesondere Erkenntnisse aus Doppler-Radaranalysen gewonnen werden, da man damit Auf- und Abwindkanäle identifizieren kann. Diese praktischen Erkenntnisse dienen umgekehrt der Modellvalidierung.

Obwohl eine Superzelle anfangs meist in einer nichtrotierenden Umgebung eingebettet ist, entwickelt sie sich dennoch häufig zu einer zyklonal rotierenden Mesozyklone. Der Einfluß der Erdrotation (Corioliskraft) ist jedoch hierbei nicht von Bedeutung für diese Rotationsentwicklung. Auf theoretisch-analytischer Ebene läßt sich eine andere Erklärung hierfür finden, die allerdings tiefer gehende mathematische Hilfsmittel benötigt und daher hier nicht weiter erläutert werden soll. Allerdings können mathematisch-physikalisch versierte Leser können sich hier ein PostScript-Dokument [etwa 290 Kb] herunterladen, welches die Erklärung für diese Rotationseigenschaft anhand einer theoretisch analytischen Ableitung nach Holton, 1992 enthält.

Die Tatsache, dass sich Superzellen häufig zu rotierenden Mesozyklonen entwickeln, reicht allerdings nicht aus, um die Bildung von Tornados zu erklären. Hier haben numerische Simulationen gezeigt, daß vielmehr eine Drehung und Streckung äußerst starker horizontaler Wirbelstärke erforderlich ist. Diese Wirbelstärke (Vorticity) tritt aber z.B. entlang von Gustfronten auf, wo sie durch starke horizontale Gradienten der Vertikalbewegung erzeugt wird.

Tornados treten vor allem über den Great Plains im mittleren Westen der USA im Zeitraum von Mitte April bis Mitte Juni auf. Gründe dafür, warum sie ausgerechnet hier so häufig und mit enormer Stärke auftreten, sind zum Beispiel

  • die über weite Flächen (Grasland, Felder) sehr geringe Bodenreibung
  • keine horizontal verlaufenden Gebirgszüge (wie z.B. in Europa die Alpen), die den Vorstoß von Kaltluftmassen nach Süden bzw. von subtropischen Warmluftmassen nach Norden behindern.

Somit kann es hier zur Ausbildung äußerst scharfer Luftmassengrenzen kommen, die genügend Potential für die Entwicklung von mächtigen Cumulonimben in sich bergen. Bei besonders kritischen Wetterlagen treten dann in Verbindung mit zahlreichen Superzellen gleich mehrere der zerstörerischen Tornados auf. Für das National Severe Storms Laboratory in Oklahoma ist es daher eine der Hauptaufgaben, frühzeitig vor der möglichen Ausbildung von Superzellen und Tornados zu warnen.

Eine hervorragende Bildergalerie zu Superzellen in den USA finden Sie auf der Seite von Eric Nguyen.


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