In diesem Sommer gab es in Deutschland schon einige Gewittertage, auch die eine oder andere Schwergewitterlage stand schon auf dem Programm. Vielleicht ist Ihnen beim Blick aufs Radarbild schon einmal aufgefallen, dass Gewitter ganz unterschiedliche Formen annehmen können. Mal „ploppen“ Gewitter relativ wahllos auf, erzeugen ein typisches Streuselkuchenmuster auf dem Radarbild und sind jeweils nur über einem relativ kurzen Zeitraum zu sehen. Manchmal kommen aber auch Gewitter vor, die sich über Stunden halten und hunderte Kilometer zurücklegen können und bisweilen gibt es auch riesige Gewitterkomplexe, die großflächige Schäden anrichten können, wie vor gut zwei Wochen im Süden von Baden-Württemberg und Bayern.

Vor allem die atmosphärischen Verhältnisse entscheiden über den Gewittertyp. Während eine präzise Gewittervorhersage für einen bestimmten Ort nahezu unmöglich ist, werden die für Gewitter benötigten atmosphärischen „Zutaten“ von den Wettermodellen heutzutage gut erfasst. Das ermöglicht es dem Meteorologen, vorab Areale einzugrenzen, in denen mit Gewittern zu rechnen ist und welche Wettererscheinungen damit verbunden sein können.

Grundvoraussetzung für Gewitter ist ein großer Temperaturunterschied zwischen der Luft in Bodennähe und der Luft in höheren Atmosphärenschichten. Man spricht dann von einer „labilen“ Schichtung. Im Sommer wird dieser üblicherweise durch die starke Sonneneinstrahlung verursacht, die im Laufe eines Tages den Erdboden sowie die darüber liegende Luft erwärmt. Im Winter ist es genau umgekehrt. Nicht die starke Erwärmung am Boden, sondern einfließende Kaltluft in der Höhe ist der Grund für den starken vertikalen Temperaturunterschied. Zudem ist eine ausreichende Feuchtigkeit (insbesondere in unteren Atmosphärenschichten) eine essenzielle Zutat für die Bildung von Gewittern. Ganz egal, wodurch die vertikalen Temperaturgegensätze entstanden sind, ist die Atmosphäre danach bestrebt, diese auszugleichen. Zunächst beginnt die warme Luft, ausgehend von bodennahen Atmosphärenschichten, in große Höhen aufzusteigen. Ein sogenannter Aufwindbereich (engl. Updraft) als Ausgangspunkt einer jeden Gewitterzelle entsteht. Als Ausgleichsbewegung bildet sich im weiteren Verlauf ein Abwindbereich (engl. Downdraft), in dem die kühlere Luft aus der oberen Atmosphäre Richtung Boden strömt. Updraft und Downdraft haben alle Gewitter gemeinsam.

Die sogenannte „Einzelzelle“ ist die einfachste Gewitterform. Sie besteht nur aus einem einzigen Auf- und Abwindbereich und hat eine horizontale Ausdehnung von etwa zehn Kilometern. Einzelzellen entstehen meist am Rande eines Hochdruckgebiets in einem Bereich mit geringen horizontalen Luftdruck- und Temperaturunterschieden, also fernab von Fronten innerhalb einer homogenen, warmen Luftmasse. Daher bezeichnet man sie in der Fachsprache auch als „Luftmassengewitter“. Der Wind ist in allen Höhen relativ schwach, sodass sich Einzelzellen nur sehr langsam bewegen oder sogar nahezu an Ort und Stelle verweilen.

Zunächst erwärmt die Sonne den Erdboden, der in der Folge auch die bodennahe Luft aufheizt. Er fungiert ähnlich einer Herdplatte, die von unten das Wasser in einem Kochtopf erwärmt. Angenommen, wir befinden uns über flachem Terrain, dann steigen ab einer gewissen Temperatur, der sogenannten Auslösetemperatur, Warmluftblasen auf, vergleichbar mit den Luftbläschen des zu kochen beginnenden Wassers. Wie im Kochtopf ist es quasi unmöglich vorherzusagen, wo die ersten Luftblasen aufsteigen. Solange die Atmosphäre labil geschichtet ist, erfährt die aufsteigende Luft immer weiteren Auftrieb und durch deren Sogwirkung kann immer weiter Warmluft von unten nachströmen. Beim Aufstieg kühlt sich die Luft ab. Da kalte Luft weniger Wasser speichern kann als warme Luft, kondensiert der unsichtbare Wasserdampf zu Wassertropfen, wodurch anfangs eine noch harmlose Blumenkohl-förmige Kumuluswolke entsteht. Innerhalb recht kurzer Zeit wächst diese weiter in die Höhe zu einer klassischen Gewitterwolke heran (Kumulonimbus). Im Aufbaustadium fällt noch kein Niederschlag und die Gewitterwolke besteht nur aus dem Updraft (Abbildung 1), in dem die Warmluft mit einer Geschwindigkeit von durchschnittlich 40 bis 80 km/h in die Höhe schießt. Im Reifestadium ist der Updraft voll entwickelt und die Wolke erreicht eine Höhe von mehr als acht Kilometern. Am Oberrand strömt die Luft horizontal aus, wodurch die Gewitterwolke ihre typische Ambossform (Abbildung 2) erhält. Nach einer gewissen Zeit kann der Updraft die Niederschlagsteilchen nicht mehr schwebend halten, sodass sie im Downdraft zu Boden fallen und dabei die Luft mit nach unten reißen. Erreicht die Kaltluft des Downdrafts den Boden, fließt sie horizontal und symmetrisch zu allen Seiten aus. Die Kaltluft schneidet den Aufwindbereich vom Zustrom weiterer Warmluft am Boden ab, wodurch der Updraft zum Erliegen kommt. Die Einzelzelle schaufelt sich quasi ihr eigenes Grab, weshalb sie nur eine Lebensdauer von weniger als einer Stunde besitzt. Im Auflösestadium existiert dann nur noch der Downdraft.

Nicht selten halten Gewitter die Warnmeteorologen des Deutschen Wetterdienstes auf Trab, da sie oft recht unvermittelt entstehen, plötzlich ihre Zugrichtung ändern oder sich wieder auflösen. Präzise Gemeinde-genaue Gewitterwarnungen können daher meist erst relativ kurz vor Eintreffen des Gewitters für Ihren Ort ausgegeben werden. Völlig unberechenbar sind sie dennoch nicht. Bereits vor Entstehung der Gewitter kann man eine Analyse der „Zutaten“ wie Feuchtegehalt der Atmosphäre, Änderung von Wind und Temperatur mit der Höhe (Scherung) sowie der atmosphärischen Schichtung vornehmen. Damit kann der Meteorologe Gebiete eingrenzen, in denen mit Gewittern zu rechnen ist und welcher Gewittertyp dort am wahrscheinlichsten ist.

Im Thema des Tages vom vergangenen Donnerstag (20.07.2023), welches die Einzelzelle als einfachste Gewitterform vorgestellt hat, wurde bereits erklärt, dass Gewitter in erster Linie dazu dienen, große vertikale Temperaturunterschiede in der Atmosphäre abzubauen. Dazu steigt zunächst die warme bodennahe Luft im Aufwindbereich (engl. Updraft) in große Höhen auf. Als Ausgleichsbewegung bildet sich im weiteren Verlauf ein Abwindbereich (engl. Downdraft), in dem die kühlere Luft aus der oberen Troposphäre Richtung Boden strömt.

Eine Einzelzelle besteht lediglich aus einem einzigen Auf- und Abwindbereich. Bei der sogenannten „Multizelle“ handelt es sich hingegen um einen Zusammenschluss mehrerer Gewitterzellen in verschiedenen Entwicklungsstadien mit mehreren Auf- und Abwindbereichen (siehe schematische Darstellung). Bildlich gesprochen ist eine Multizelle eine große Gewitterfamilie, die sich zu einem Mehrgenerationenhaushalt vereint hat.

Alles beginnt mit einer Gewitterzelle, bestehend aus Updraft und Downdraft. Diese Initialzelle wird – um beim Bild der Großfamilie zu bleiben – auch als „Mutterzelle“ bezeichnet (Zelle 1). Sie bildet sich in einer Umgebung mit horizontalen Temperaturunterschieden. Entscheidend ist hierbei, dass dort der Wind mit der Höhe zunimmt und dabei auch seine Richtung ändert – beides zusammen bezeichnet man als vertikale Windscherung. (Auf die thermodynamischen Hintergründe dieses Zusammenhangs soll an dieser Stelle verzichtet werden und kann der interessierte Leser im DWD-Lexikon nachlesen, Stichwort Baroklinität.) Durch die unterschiedlich starken Winde kann der Downdraft am Boden nicht wie bei der Einzelzelle symmetrisch ausfließen. Auf der warmen Seite des Gewitters fließt der Downdraft besonders stark aus, wodurch sich eine sogenannte Böenfront formiert. Diese erkennen Sie als Beobachter daran, dass bereits vor dem aufziehenden Gewitter der Wind schlagartig und böig auffrischt und dabei die Temperatur abrupt sinkt. Die kalte und damit schwerere Luft (engl. Outflow) schiebt sich „mit Schmackes“ unter die Warmluft, sodass letztere an der Vorderseite der Böenfront gehoben wird. Der Aufwindbereich der zweiten Gewitterzelle, der sogenannten „Tochterzelle“, ist hiermit geboren, während sich der Updraft der Mutterzelle wieder abschwächt. Durch den zusätzlichen Hebungsantrieb der ausfließenden Kaltluft fällt der Updraft der Tochterzelle oftmals stärker aus als der der Mutterzelle. Da bei moderater Windscherung der Outflow mächtiger als die nach oben nachströmende Warmluft (engl. Inflow) ist, läuft auch dieser Updraft in den Kaltluftbereich und schwächt sich ab. Unter günstigen Bedingungen können sich entlang der Böenfront mehrfach hintereinander neue Tochterzellen bilden (Zellen 3 bis 5). Die heftigsten Niederschläge treten dabei im Bereich des stärksten Updrafts und Downdrafts hinter der Böenfront auf (Zelle 3).

Große horizontale Temperaturänderungen findet man zum Beispiel entlang einer Kaltfront. Im Sommer entsteht allerdings häufig schon im Vorfeld der Kaltfront, also noch im Warmluftbereich, ein flaches rinnenförmiges Tief, in das am Boden von beiden Seiten entlang einer Konvergenzlinie die Luft zusammenströmt und zum Aufsteigen gezwungen wird. Durch diese zusätzliche Hebung entwickeln sich dort oft die ersten Gewitter. Da vor der Kaltfront weiterhin Warmluft einfließt, nimmt der Wind mit der Höhe nicht nur zu, sondern wird zusätzlich nach rechts abgelenkt (thermischer Wind). Dies führt dazu, dass die Tochterzellen meist an der rechten Flanke der alternden Zellen entstehen, sodass die Verlagerung des Gewitterkomplexes diskontinuierlich wirkt und bezüglich der mittleren großräumigen Strömung etwas nach rechts ausschert.

Multizellen sind in Mitteleuropa die am häufigsten vorkommende Gewitterform. Sie besitzen einen Durchmesser von ca. 15 bis 30 Kilometern und können im Extremfall mehrere Stunden existieren, wohingegen die einzelnen Zellen des Gewitterkonglomerats wie bei der Einzelzelle nur etwa 10 bis 60 Minuten bestehen. Ihre Dynamik ist wesentlich stärker, sodass die Wettererscheinungen heftiger als bei der Einzelzelle ausfallen. Dabei kommt es entlang der Böenfront zu Sturmböen sowie zu heftigem Starkregen mit Gefahr lokaler Überschwemmungen und mittelgroßem Hagel.

Im nächsten Teil dieser Serie geht es dann um die Superzelle…

Dr. rer. nat. Markus Übel (Meteorologe)
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 22.07.2023
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