Tropische Squall-Lines - Teil 1

Einleitung

Unter einer Squall Line versteht man nach Hamilton / Archbold (1945) eine linienhafte Anordnung von kräftigen Gewitterzellen, die sich auf der Vorderseite einer mesoskaligen Abwindregion ausbilden können. Vor allem über dem mittleren Westen der USA sowie im tropischen Bereich Westafrikas treten solche Squall Lines häufig mit einer bemerkenswerten Intensität auf. Im folgenden werden speziell die über Westafrika auftretenden tropischen Squall Lines näher betrachtet. Die Literaturgrundlage zu diesem Kurzüberblick ist eine umfassende Fallstudie von Robert A. Houze Jr.: "Structure and Dynamics of a tropical Squall-Line System", die durch GATE (Global Atmospheric Research Programme - Atlantic Tropical Experiment) am 4. und 5. September 1974 ermöglicht wurde.

Deskriptive Merkmale

Wenige Minuten vor dem Durchgang einer typischen tropischen Squall-Line in Westafrika treten kräftige Windböen aus Südost bis Nordost auf. Gleichzeitig setzt ein spürbarer Temperaturrückgang ein. Der Durchgang der Cb-Linie selber ist durch eine etwa 10 bis 20 Kilometer breite Zone intensiver, konvektiver Niederschläge in Verbindung mit weiteren kräftigen Böen ("convective downdrafts") verbunden. Dahinter schließt sich eine etwa 100 bis 500 Kilometer breite Zone mit zunehmend schwächeren, stratiformen Niederschlägen an, welche durch die großflächigen, "nachschleifenden" Cb-Eisschirme verursacht werden. Diese Amboss-Region ist durch schwächere, mesoskalige Abwinde ("mesoscale downdrafts") unterhalb etwa 600hPa charakterisiert, deren Existenz auch numerisch nachgewiesen werden konnte (Brown, 1974). Im Bodendruckfeld findet man unter dieser mesoskaligen Abwindregion in der Modellrealität ein schwaches Mesohoch, welches auch in der physikalischen Realität meßbar ist. Die Länge der "leading edge" einer tropischen Squall Line beträgt bis zu 1000 Kilometern. Die Gesamtheit, bestehend aus den Cb’s der eigentlichen Squall Line sowie der großflächigen Ambossregion wird von Houze als Squall-Line System bezeichnet.

Die beobachteten Abwinde, also sowohl die konvektiven Downdrafts im Bereich der Cb’s als auch die mesoskaligen Abwinde im Bereich der Eisschirme lassen sich durch folgendes Prinzip erklären: Geraten vorhandene Niederschlagspartikel in eine Region schwächerer Aufwinde innerhalb einer Konvektionszelle, so beginnen sie aufgrund ihres Gewichts beschleunigt zu sinken. Bei diesem Absinken ziehen sie einerseits durch Reibungseffekte größere Luftmengen mit nach unten. Andererseits werden bei diesem Prozess auch umgebende, ungesättigte Luftmassen durch Entrainment mit einbezogen. Durch die daraus resultierende stärkere Untersättigung der Luft setzt ein verstärkter Verdunstungsprozess der Niederschlagsteilchen ein, der zu einer zusätzlichen Abkühlung der Luftmasse führt. Dies wiederum verstärkt dann die initiale Absinkbewegung

Abbildung 1: Gust Front / Squall Line (?) Bildquelle: http://www.kjc.gov.my/squall.htm

Abbildung 2: Böenlinie mit Fallstreifen Bildquelle: http://www.stormchasing.net/ Community/Photos/preview.asp?ID=531

Hinweis: Trotz fehlender genauerer Angaben zu den Bildern liegt aus meiner Sicht die Vermutung nahe, dass es sich bei den beiden hier gezeigten Gewittern / Gewitterlinien um Systeme der mittleren Breiten handelt.

Datenmaterial

Möchte man eine bessere Einsicht in die interne und externe Dynamik sowie in die Thermodynamik tropischer Squall Lines gewinnen, so sind räumlich und zeitlich hochauflösende, dreidimensionale Doppler-Radaranalysen das Mittel erster Wahl. Zudem liefern hochfrequente IR-Satellitenbildanimationen einen guten Überblick über die Gesamtentwicklung sowie die Verlagerungsgeschwindigkeit des Squall Line Systems, wobei man hierbei jedoch immer nur die Obergrenze der Wolkenkomplexe identifizieren kann. Polarumlaufende Satelliten (sog. "Polarorbiter") hingegen liefern durch passive (und aktive) Mikrowellenverfahren indirekte Felder der Regenraten des abgetasteten Areals. Diese Feldverteilungen ermöglichen eine bessere Identifikation speziell von Gewitterlinien, die sich unterhalb ausgedehnter Cb-Schirme befinden und daher nicht aus IR-Sat.-analysen idenfizierbar sind. Der größte Nachteil ist hierbei aber, daß diese Feldverteilungen von ein und demselbem Polarorbiter nur alle 12 Stunden vorliegen und man daher nur wenig Informationen über die zeitliche Entwicklung der Regenratenfelder erhält. Ergänzend sind Radiosondenaufstiege sowie Meßdaten von Bodenstationen hilfreich, vor allem für die Analyse der Thermodynamik eines Squall Line Systems.

Während GATE 1974 wurden hochfrequente / hochaufgelöste Messungen mit allen oben genannten Meßsystemen (außer den Regenratenfeldern aus Mikrowellenverfahren, die jedoch durch die 3D-Radaranalysen mehr als ersetzt wurden!) durchgeführt. Darüberhinaus wurden zusätzlich all-sky Kameras auf den betreffenden Forschungsschiffen auf dem Atlantik eingesetzt. Die große Datendichte/-qualität ermöglichte eine sehr detaillierte Analyse dieses über den Atlantik ziehenden Squall Line Systems vom 4./5. September 1974.

Im allgemeinen ist die Datenproblematik jedoch nicht zu unterschätzen: Für weite Gebiete Westafrikas existieren keinerlei operationelle Radaranalysen. Satellitenbilder gibt es aber immerhin in halbstündlicher Auflösung vom geostationären Wettersatelliten METEOSAT 7. Die Meßdaten der Polarorbiter für die Ermittlung der Regenraten sind seit 1987 verfügbar. Operationelle Radiosondenaufstiege sowie Pilotsondierungen werden jedoch nur an einigen wenigen Stationen durchgeführt, und nur mit viel Glück gerade während des Durchgangs einer Squall Line. Die Parameterfelder (Vorticity, spezifische Feuchte, ...) der globalen Vorhersagemodelle helfen ebenfalls kaum weiter, da auch die Modelle mit geringsten Datenmengen in den betreffenden Gebiet auskommen müssen.

Auslösende Faktoren tropischer Squall Lines

Als Hauptauslöser für die Bildung von Squall Line Systemen sind lokale Effekte wie thermische Überhitzung und/oder orographische Auslösungen zu nennen. Fast täglich beobachtet man während der Regenzeit jeweils am Nachmittag die Auslösung von Gewitterherden an den Osthängen der lokalen Gebirgszüge (z.B. des Air Gebirges oder Jos Plateus für das IMPETUS-Untersuchungsgebiet in Benin). Für die nachfolgende Ausbildung eines Squall Line Systems ist dann insbesondere noch die Existenz einer Windscherung mit der Höhe erforderlich.

Die ausgeprägte Organisation und Langlebigkeit eines tropischen Squall Line Systems (-> die mittl. Lebensdauer beträgt etwa 10 bis 13 Stunden, max. sogar bis zu 24 Stunden) läßt allerdings zusätzlich auf größerskalige Triggermechanismen schließen. Diese sind vor allem die african easterly waves (AEW‘s), die im Nordsommerhalbjahr als flache barokline/barotrope Störungen im Bereich des african easterly jets (AEJ) entstehen und sich unter Verstärkung über Westafrika westwärts in Richtung des tropischern Ostatlantiks verlagern. Auf Satellitenbildern erkennt man zur Hauptregenzeit (Juli bis September) auf der konvergenten Trogvorderseite dieser Wellenstörungen allgemein eine vertstärkte Konvektionstätigkeit - es bilden sich mesoskalige Konvektionskomplexe, sog. tropische Cloud Cluster aus. Innerhalb dieser Cloud Cluster entwickeln sich dann häufig stärker organisierte Squall Line Systeme (siehe hierzu auch Payne & McGarry, 1977).