Radiosondenaufstieg für Fortgeschrittene, oder: Das Potenzial einer
Luftmasse!


Nach den beiden ersten Teilen zum Thema "Radiosondenaufstieg" im
vergangenen Juli, beschäftigen wir uns im heutigen Thema des Tages
mit dem Potenzial einer Luftmasse.


Trocken- und Feuchtadiabaten, Sättigungsmischungsverhältnis,
Hebungskondensationsniveau - noch nie gehört? Dann am besten jetzt
schnell nochmal in die ersten beiden Teile dieser Reihe reinschauen
(Einsteiger:
https://www.dwd.de/DE/wetter/thema_des_tages/2020/7/3.html,
Fortgeschrittene:
https://www.dwd.de/DE/wetter/thema_des_tages/2020/7/24.html). Diese
Begriffe gehören nämlich zum Fundament, auf dem das heutige Thema des
Tages aufbaut.

Wie Sie nun bereits wissen, ist das Hebungskondensationsniveau (kurz:
HKN) die Höhe, bis zu der Luft gezwungenermaßen aufsteigen muss,
damit sie gesättigt ist. Das bedeutet, sie ist dann soweit abgekühlt,
dass sie maximal nur noch so viel Wasserdampf halten kann, wie sie zu
Beginn des Aufstiegs bereits in sich trug. Im Skew-T-Diagramm ist das
der Schnittpunkt der Trockenadiabate ausgehend von der
Start-Temperatur der Luft mit der Linie gleichen
Sättigungsmischungsverhältnisses entspringend vom Start-Taupunkt der
Luft.

Würde das HKN nun links von der gemessenen Temperaturkurve liegen,
wäre unsere bis dahin aufgestiegene Luft kälter als die
Umgebungsluft. Da kalte Luft schwerer ist als weniger kalte bzw.
warme Luft, müsste ein weiterer Aufstieg unserer Luft weiterhin
erzwungen werden (z.B. durch die Orographie). Nehmen wir mal an, dass
dieser Zwang weiterhin anhält, d.h. unsere bei Erreichen des HKN
gesättigte Luft steigt weiter auf, dann tut sie das entlang der durch
das HKN imaginär laufenden Pseudoadiabaten. Sie kühlt nun also um
0,65 Grad pro 100 m Aufstieg ab. Jetzt kann es passieren, dass diese
Pseudoadiabate irgendwann die Temperaturkurve der Umgebungsluft
schneidet. Das bedeutet, dass auf einmal die zum Aufstieg gezwungene
Luft wärmer und damit leichter ist als die Umgebungsluft. Ab diesem
Zeitpunkt kann sie endlich völlig frei aufsteigen - ohne jeglichen
Zwang. Man spricht bei diesem Punkt auch vom Niveau freier Konvektion
(NFK).

Liegt das HKN dagegen rechts der gemessenen Temperaturkurve (wie in
der Abbildung ganz knapp zu sehen (https://bit.ly/2QBE3YR)), wäre die
bis dahin aufgestiegene Luft jetzt schon wärmer und damit leichter
als die sie umgebende Luft. Sie kann damit bereits vom HKN aus frei
in die Höhe schießen (ebenfalls entlang der Pseudoadiabaten). HKN und
NFK sind in diesem Fall also auf derselben Höhe.

Ausgehend vom NFK steigt die Luft nun soweit auf, bis ihre
Aufstiegskurve (Pseudoadiabate) die Temperaturkurve der Umgebungsluft
(erneut) schneidet. Ab diesem Punkt ist ihre Temperatur also
niedriger als die der Umgebungsluft und ihr Aufstieg findet ein Ende.
Das kann durchaus erst am Oberrand der Troposphäre sein, also in
unseren Breiten im Sommer in rund 12 km Höhe - bei besonders starken
Gewittern sogar erst in der angrenzenden Stratosphäre.

Kommen wir nun abschließend zum potentiellen Energiegehalt der
Luftmasse, die für Konvektion - also die Entwicklung von Schauern und
Gewittern - zur Verfügung steht, kurz: CAPE (Convective Available
Potential Energy). Die CAPE ist ein Maß dafür, wie stark Luft gehoben
werden kann. Sie hängt stark von der bodennahen Feuchtigkeit und der
Instabilität ab, also vom Taupunkt und der Temperaturabnahme mit der
Höhe der (Umgebungs-)Luft. Je feuchter und instabiler also die Luft
ist, desto höher ist auch die CAPE. Die CAPE findet man im
Skew-T-Diagramm ausgehend vom NFK als Fläche zwischen der
Aufstiegskurve der Luft (Pseudoadiabaten) und der Temperaturkurve der
Umgebungsluft, wobei erstgenannte Linie rechts der Zweitgenannten
liegen muss.

Hohe CAPE-Werte sind ein Indiz für potentiell starke Aufwinde
innerhalb eines Gewitters. Diese sind wiederum eine Voraussetzung für
großen Hagel, denn nur dann können die Eiskörner lang genug in der
Gewitterwolke wachsen. Allerdings muss dafür das Gewitter auch
entsprechend lang bestehen und nicht schon nach 20 Minuten wieder in
sich zusammenfallen. Das würde nämlich passieren, wenn keine oder nur
eine geringe Windscherung vorhanden ist. Unter Windscherung versteht
man die Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe. Ist sie hoch
genug, kann sich ein Gewitter organisieren, d.h. Auf- und
Abwindbereich des Gewitters sind voneinander getrennt. Dadurch fällt
der Regen im Abwindbereich nicht in den Aufwindbereich und die Zufuhr
feuchtwarmer Luft in letzteren bleibt aufrechterhalten.

CAPE und Windscherung sind allerdings völlig "nutzlos", wenn die
Luftmasse nicht "zündet", d.h. kein Mechanismus vorhanden ist, der
die Luft am Boden tatsächlich aufsteigen lässt. Der nötige
Hebungsimpuls kann beispielsweise von Fronten oder Bergen ausgehen
oder auch aus höheren Luftschichten erfolgen. Passt dann alles, heißt
es in Deckung gehen! Denn dann kann die Atmosphäre zeigen, was in ihr
steckt.


Dipl.-Met. Tobias Reinartz
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 30.08.2020

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