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Konvektive Starkwindereignisse in Deutschland

Da konvektive Windböen aufgrund ihrer geringen räumlichen Ausdehnung nicht vollständig und flächendeckend durch Stationsmessungen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) erfasst werden, bestand in Deutschland bisher ein erhebliches Wissensdefizit hinsichtlich ihrer räumlichen und zeitlichen Verteilung. Vor diesem Hintergrund wurde von ein paar Jahren am IMK-TRO und am Institut für Hydromechanik (IfH) das interdisziplinäre Projekts „Convective Wind Gusts (ConWinG)“ ins Leben gerufen, um diese Phänomene genauer zu untersuchen.

Doch was genau sind überhaupt konvektive Starkwindböen? Diese Starkwindereignisse werden in der Regel durch Gewitterereignisse – vor allem während der warmen Sommermonate – ausgelöst. Bedingt durch den fallenden Niederschlag und durch Abkühlungsprozesse (diabatische Phasenübergange) in der Gewitterwolke entsteht ein lokaler Abwind (Downbursts; siehe Youtube), der nach dem Auftreffen auf der Erdoberfläche horizontal umgelenkt wird und anschließend bodennah eine divergierende horizontale Strömung erzeugt (Wakimoto, 2001).

Verschiedene Studien haben bereits gezeigt, dass konvektive Böen im Vergleich zu großen außertropischen Sturmtiefs (Winterstürmen) noch höhere Windgeschwindigkeiten erreichen können. Windspitzen von mehr als 50 m/s wurden bereits aufgezeichnet. In Deutschland wurde die stärkste gemessene konvektive Böe am 29. Juli 2005 an der Station Zinnwald (Erzgebirge) mit einer maximalen Windgeschwindigkeit von 52,6 m/s beobachtet (Mohr et al., 2017). Aufgrund von Schadenschätzungen nach solchen Ereignissen wird aber davon ausgegangen, dass auch Windgeschwindigkeiten vergleichbar mit denen eines F3-Tornados (d.h. 70 – 92 m/s) möglich sind.

Im Rahmen des DFG-Projekts „ConWinG“ wurde nun ein Ereigniskatalog für Deutschland aus Beobachtungsdaten des Deutschen Wetterdienstes (DWD; 1992–2014) erstellt und die Ereignisse statistisch ausgewertet. Daraus konnten erstmalig verschiedene charakteristische Merkmale der Böen wie zeitliche und räumliche Variabilitäten, Wiederkehrperioden und Böenfaktoren bestimmt werden (Mohr et al., 2017).

Die Ergebnisse zeigen beispielsweise, dass die Auftretenswahrscheinlichkeit konvektiver Böen von Nord- nach Süddeutschland zunimmt; subskalige räumliche Muster, beispielsweise durch den Einfluss der Orografie, konnten dagegen nicht identifiziert werden. Anhand der Verteilung der Maxima wird deutlich, dass schwere konvektive Böen von über 30 m/s überall in Deutschland möglich sind. Ähnlich wie bei anderen konvektiven Phänomenen (Blitz, Hagel) treten konvektive Böen in Deutschland vorwiegend in der warmen Jahreszeit auf (vor allem Mai bis August), wenn die atmosphärischen Bedingungen die Bildung organisierter Gewittersysteme begünstigen. So sind die meisten Ereignisse vor allem im Juni und Juli (z.B. 53% der Ereignisse ≥ 18 m/s) zu beobachten (siehe Abb. rote Linie).

Abb.: Mittlere saisonale Verteilung (gleitender Mittelwert 11 Tage) für die relative Häufigkeit konvektiver Böen, die >/= 18 m/s (rot) bzw. 25 m/s (blau) sind (Deutschland, 1992 – 2014, Quelle: S. Mohr/IMK-TRO).

Die gegenwärtig gültigen Windlastnormen für Gebäude oder Tragwerke beinhalten aktuell nur die Charakteristik turbulenter Böen. Konvektive Starkwindereignisse mit ausgeprägter vertikaler Geschwindigkeitskomponente und ihre Wechselwirkung mit städtischen Bebauungsstrukturen werden dagegen derzeit noch nicht berücksichtigt. Dies liegt unter anderem daran, dass, wie oben beschrieben, ihre Stärken und Dimensionen bisher nicht hinreichend bekannt waren und ihre Auftretenswahrscheinlichkeit unterschätzt wurde. Mit den gewonnenen Ergebnissen in dem Teilprojektes des IMK-TRO bestand nun am IfH die Möglichkeit, die Windlast auf typische städtische Bebauungsstrukturen besser abzuschätzen, wodurch eine erste wissenschaftliche Basis entstand, die zukünftig in den Normen berücksichtigt werden kann (Richter, 2017).

Quellen und weiterführende Informationen:

Mohr, 2018: ESKP-Artikel „Konvektive Starkwindereignisse in Deutschland“. Earth System Knowledge Platform, Deutschland.

Mohr, S., Kunz, M., Richter, A., and Ruck, B. (2017): Statistical characteristics of convective wind gusts in Germany, Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 17, 957-969, doi:10.5194/nhess-17-957-2017.

Richter, A. (2017): Die Wechselwirkung von Fallböen mit typischen urbanen Bebauungsstrukturen. Dissertation, Fakultät für Bauingenieur-, Geo- und Umweltwissenschaften (BGU), Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), Karlsruhe, doi:10.5445/IR/1000077291.

Wakimoto, R. M. (2001): Severe Convective Storms, chap. Convectively driven high wind events, 255–298, Meteor. Monogr., The American Meteorological Society, Bosten, USA.

[Arbeitsgruppe: Atmosphärische Risiken]