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Sounding Referenz

Für was braucht man ein Sounding?

Ein Sounding (Radiosonden Aufstieg) liefert den Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Punkt zu einer bestimmten Zeit. Besondere Verwendung finden Soundings bei der Gewittervorhersage. Aus ihnen lassen sich sehr einfach die Stabilität und andere für die Gewittervorhersage relevante Parameter ermitteln.


Die Skew-T Log P Darstellung

Diese am häufigsten verwendete grafische Darstellung eines Radiosonden Aufstiegs gibt einen sehr schnellen Überblick über die aktuelle Lage. Die Temperatur und der Taupunkt werden dabei im 45 Grad Winkel nach rechts oben dargestellt und der Luftdruck in einer Logarithmischen Skala als Y-Achse. Die Windgeschwindigkeit und Windrichtung werden normalerweise als Windfahnen am rechten Rand dargestellt. Damit man den Verlauf der Windgeschwindigkeit mit der Höhe besser erkennen kann, habe ich die Windgeschwindigkeit als zusätzliche Skala an die X-Achse angehängt. Die Windrichtungen werden als einfache Linien rechts dargestellt.
Beispiel

Eine weitere X-Skala ist das Mischungsverhältnis (Mixing-Ratio). Es wird gebraucht um das Kondensationsniveau zu ermitteln.
Beispiel


Zusätzliche Skalen

Neben den direkt gemessenen Werten (Temperatur, Taupunkt, Wind), werden noch CAPE und CINH bis in eine Höhe von 700 hPa grafisch dargestellt. CINH wird dafür mit dem Faktor 5 multipliziert, um für die grafische Darstellung akzeptable Werte zu erhalten. (Beschreibung von CAPE und CINH siehe unten)


Kondensations Niveaus

Bei einem Sounding kann man zwischen zwei verschiedene Kondensations Niveaus wählen:

Lifting Condensation Level (LCL)

Das LCL wird verwendet um die Höhe der Wolkenbasis zu ermitteln, wenn die Konvektion durch Hebung an Fronten oder Bergen ausgelöst wird. Dafür braucht man das mittlere Mischungsverhältnis und die mittlere Temperatur des gehobenen Luftpaketes. Als Standart werden hier die gemittelten Werte der untersten 100 hPa verwendet. Der Schnittpunkt zwischen dem Mischungsverhältnis und der Trockenadiabate ist das LCL.
Beispiel

Convective Condensation Level (CCL)

Das CCL wird verwendet, wenn die Konvektion Thermisch ausgelöst wird. Das ist vor allem bei Wärmegewittern der Fall. Wie beim LCL braucht man dafür auch den mittleren Wert des Mischungsverhältnis. Der Schnittpunkt zwischen dem Mischungsverhältnis und der Temperaturkurve aus den gemessenen Werten ist das CCL. Das CCL liegt meist höher als das LCL.
Beispiel


Gewittervorhersage mit Hilfe eines Soundings

Soundings stellen in der Gewittervorhersage einen bedeutenden Faktor dar. Mit ihnen kann man die Lage genauer einschätzen und vor allem auch eine Aussage machen was für ein Typ von Gewitter zu erwarten ist.
Da sie aber nur eine Momentaufnahme der Atmosphäre an einem bestimmten Punkt darstellen, sollte man sich nie nur alleine auf das aktuelle Sounding verlassen, sondern immer auch die Modelle hinzuziehen und auf Änderungen in den nächsten Stunden achten.

Als erstes schaut man sich am Besten die Kurve des aufsteigenden Luftpaketes (Parcel) an und vergleicht sie mit der Temperaturkurve. Befindet sich die Parcel Kurve weit links neben der Temperaturkurve, so ist die Atmosphäre stabil und es sind keine Gewitter zu erwarten. Der Lifted-Index ist ein oft verwendeter Wert um die aktuelle Stabilität zu beschreiben. Ein Wert von > +3.0 °C im Sounding von 12Z ist meist zu stabil für die Entstehung von Gewittern. Ausnahme wäre eine herannahende Kaltfront mit starker Abkühlung in der Höhe oder feuchte Luft, welche in den unteren Luftschichten einfliesst.
Beim 00Z Aufstieg muss man noch mehr aufpassen, da dort auch schon alleine die Sonneneinstrahlung des kommenden Tages ausreichen kann um die Atmosphäre zu destabilisieren.

Ein zweiter Faktor ob Gewitter zu erwarten sind ist die Feuchtigkeit in den unteren Luftschichten. Der Lifted-Index kann zwar negativ sein, doch trockene Luft in Bodennähe verunmöglicht Gewitter, da sich ein nicht zu überwindendes Cap bildet, das heisst, dass aufsteigende Luftpakete nicht das "Level of Free Convection (LFC)" erreichen können von wo an sie ungehindert aufsteigen würden. Beispiel eines für Gewitter zu starken Cap.

Der dritte für Gewitter wichtige Parameter, die Hebung, lässt sich nicht aus einem Sounding ermitten. Dafür müssen die Modellkarten hinzugezogen werden.
Ein Anzeichen für Hebung kann höchstens eine im Uhrzeigersinn drehende Windrichtung sein. In den unteren Luftschichten deutet sie auf Warmluft Advektion hin, was Hebung bedeuten würde.

Möchte man herausfinden was für ein Typ von Gewittern zu erwarten ist, schaut man sich als erstes das Windprofil an. Ist keine grössere Zunahme des Windes mit Höhe zu erkennen, kann man davon ausgehen, dass sich nur kurzlebige Gewitter bilden werden, deren Intensität von der Instabilität bestimmt wird. Bei hoher Instabilität sich Multizellen zu erwarten, bei niedriger Instabilität Singlezellen. Beispiel eines Multizellen Soundings.
Wird eine Windgeschwindigkeit von mindestens etwa 40 Knoten in 300 hPa erreicht, besteht die Möglichkeit von Gewittern mit einer längeren Lebensdauer (Superzellen). Die Zunahme des Windes mit der Höhe ist ausschlaggebend damit ein vom Aufwindbereich getrennter Abwindbereich entsteht. Bei einer zusätzlichen Rechtsdrehung des Windes mit der Höhe sind Superzellen sehr wahrscheinlich.
Die Frage ob es in Verbindung mit Superzellen zu Tornados kommen könnte lässt sich soweit beantworten, dass die Chancen dafür am grössten sind, wenn ein starker Low-Level Jet vorhanden ist. Der Low-Level Jet entsteht meist im Vorfeld von Kaltfronten, wo sich grosse Temperaturgegensätze in den tieferen Luftschichten aufbauen. In der Schweiz hat der Low-Level Jet sein Maximum bei etwa 700 hPa (Beispiel). Der Jura und die Alpen haben darauf einen bedeutenden Einfluss. In seltenen Fällen kommt es aber vor, dass der Low-Level Jet sein Maximum schon in rund 850 hPa hat. Dann sind in Verbindung von Superzellen auch Tornados möglich (Beispiel).


Sounding Parameter

Aus den Messwerten eines Radiosonden Aufstiegs lassen sich allerhand verschiedene Parameter berechnen. Mit ihnen kann dann der Aufbau der Atmosphäre genauer beurteilt werden. Folgend sind alle Parameter kurz erklärt, die auf der rechten Seite dargestellt werden.

850 Wet Bulb Theta-E
Energiegehalt der Luft in 850 hPa.

Sfc - 700 Man Rel Hum
Mittlere Luftfeuchtigkeit zwischen dem Boden und 700 hPa.

Convective Temperature
Bei Überschreiten dieser Temperatur in Bodennähe ist die Auslösung thermischer Konvektion zu erwarten.
Beispiel

Lifted Index
Differenz zwischen dem aufsteigenden Luftpacket und der gemessenen Umgebungstemperatur in einer Höhe von 500 hPa.
Beispiel

Formel: LI = T500 - T500Parcel
> 0 Thunderstorms unlikely
0 - -2 Thunderstorms possible - trigger needed
-3 - -5 Thunderstorms probable
-5 - -7 Strong/severe thunderstorms. Tornadoes possible
-7 - -9 Move to Alaska
< -9 Yikes


CAPE / CINH
CAPE (Convective Available Potential Energy) ist die wohl wichtigste Grösse in der Gewittervorhersage. Sie ist ein direktes Mass für die zur Konvektion zur Verfügung stehenden Energie. Aus ihr kann man auch die maximal zu erwartende Aufwindgeschwindigkeit (Max Up Vert Vel) in einem Gewitter berechnen.
CINH (Convective Inhibition) ist die Energie, die gebraucht wird um ein Luftpaket über das LFC zu bringen. Das kann durch bodennahe Erwärnmung geschehen oder auch durch Hebung an Fronten.
Beispiel

< 300 Weak convection (showers)
300-1000 Weak thunderstorms
1000-2500 Moderate thunderstorms
2500-3000 Strong thunderstorms
3000+ Very Strong thunderstorms


Normalized CAPE
Dieser Wert hat etwa die gleiche Bedeutung wie der Lifted Index, einfach wird hier über den ganzen Bereich zwischen "Level Of Free Convection" (LFC) und dem "Equilibrium Level" (EL) gemittelt. Schmale CAPE Bereiche welche einen grossen Höhenunterschied zwischen LFC und El aufweisen haben einen kleinen Wert, während breite CAPE Bereiche mit einem kleinen Höhenunterschied zwischen LFC und EL grosse Werte erzeugen.

Formel: Normalized CAPE = CAPE / (Height(EL) - Height(LFC)) [m/s^2]

Skala:
00-10 Schmal
10-20 Breit
>20 Sehr Breit

Beispiele:
6.02 m/s^2 (Payerne 02.06.1999 12Z)
6.63 m/s^2 (Payerne 08.05.2003 12Z)
15.12 m/s^2 (Payerne 24.06.2002 00Z)
26.84 m/s^2 (De Bilt 18.06.2002 12Z)

In der Schweiz und Europa wird der Wert von 10 m/s^2 nur in seltenen Fällen überschritten.

Max Up Vert Vel
Maximale Aufwärtsgeschwindigkeit in den zu erwartenden Gewittern. Das gilt nicht für Superzellen, dort kann der Aufwind grössere Werte erreichen.

Formel: Sqrt(2 * CAPE)

850-600 Lapse Rate
Temperaturunterschied zwischen 850 hPa und 600 hPa. Wird hier für die Berechnung von Exp. Hail Size gebraucht.

Wet-Bulb Zero
siehe Externe Beschreibung (Englisch). Die Höhe des WBZ ist in der Vorhersage von Hagel eine wichtige Grösse. Wird zur Berechnung von Exp. Hail Size gebraucht.

Fawbush-Miller Hail Size
Mittlere zu erwartende Hagelgrösse in den sich entwickelnden Gewittern.

Exp. Hail Size
Experimentelle Maximal zu erwartene Hagelgrösse.
Formel

LCL
Höhe der Wolkenuntergrenze bei durch Hebung (Fronten, Berge) verursachter Konvektion.

CCL
Höhe der Wolkenuntergrenze bei thermischer Konvektion.

LFC
LFC = Level of Free Convection. Ab dieser Höhe kann das aufsteigende Luftpaket ohne Energie von aussen bis zum EL aufsteigen. Das LFC befindet sich in der Höhe, wo das aufsteigende Luftpaket die Temperaturkurve in Richtung wärmer schneidet. Bei stabilder Schichting kann das nie vorkommen. Bei thermischer Konvektion ist das LFC = CCL.
Beispiel

EL
EL = Equilibrium Level. In dieser Höhe erreicht ein Luftpaket das vorher das LFC überschritten hat wieder den Gleichgewichts Zustand, d.h. es steigt nicht mehr weiter auf. Bei Gewitter breitet sich der Amboss in dieser Höhe aus.
Das EL hat nichts mit der Tropopause zu tun!

Theta
Wert für aufsteigendes Luftpaket (unwichtig).

Theta-E
Wert für aufsteigendes Luftpaket (unwichtig).

Mixing Ratio
Wert für aufsteigendes Luftpaket (unwichtig).

Showalter Index
Grundsätzlich das gleiche wie der Lifted Index mit der Änderung, dass hier das Luftpaket von 850 hPa genommen wird. Die Differenz zwischen aufsteigendem Luftpaket und Umgebungstemperatur wird wieder in 500 hPa berechnet. Bei einem negativen Showalter Index ist mit grosser Wahrscheinlichkeit eine feuchte Grundschicht vorhanden, die ein wichtige Voraussetzung für Gewitter ist.

Formel: SI = T500 - T500Parcel
> 4 Thunderstorms unlikely
1 - 4 Thunderstorms possible - trigger needed
1 - -2 Increasing chance of thunderstorms
-2 - -3 High potential of heavy thunderstorms
-3 - -5 Getting scary
-5 - -10 Extremely unstable
< -10 Head for the storm shelter


K Index
Der K Index (KI) setzt sich aus einer grossen Temperaturabnahme zwischen 850 und 500 hPa und der Grundschichtfeuchte zusammen. Trockene Schichten in den verwendeten Levels (850 hPa und 700 hPa) können einen falschen Eindruck vermitteln.

Formel: KI = (T850 - T500) + TD850 - (T700 - TD700)
0-15 No thunderstorms
18-19 Thunderstorms unlikely
20-25 Isolated thunderstorms
26-30 Widely scattered thunderstorms
30-35 Numerous thunderstorms
36-39 Thunderstorms very likely
40+ 100% chance of thunderstorms


Modified Thompson Index
Der Modified Thompson Index besteht aus den "Modified K Index" und dem "Lifted Index". Das Modified kommt vom K Index und bezeichnet damit die Berechnung von Temperatur und Taupunkt für das 850 hPa Level beim K Index, welche hier nicht mit den gemessenen Werten in dieser Höhe übereinstimmen, sondern mit den gemittelten Werten zwischen Boden und 850 hPa.

Formel: TImod = KImod - LI [°C] where KImod = (TmeanSfc..850 - T500) + TDmeanSfc..850 - (T700 - TD700)
<=28 No thunderstorms expected
28-36 Isolated thunderstorms
>36 Widespread thunderstorms


Total Totals Index
Der Total Totals Index (TTI) spricht bei einer feuchte Grundschicht bis mindstens 850 hPa und tiefer 500 hPa Temperatur an. Beides sind für Gewitter wichtige Werte. Bei einer trockenen Zwischenschicht in 850 hPa besteht das gleiche Problem wie beim K Index.

Formel: TT = T850 + TD850 - 2 * (T500)
< 43 Thunderstorms unlikely
43-44 Isolated thunderstorms
45-46 Scattered thunderstorms
47-48 Scattered thunderstorms/isolated severe
49-50 Scattered t-storms/few severe/isolated tornadoes
51-52 Scattered-numerous t-storms/few-scattered severe/isolated tornadoes
53-55 Numerous thunderstorms/scattered tornadoes
56+ You don't want to know


SWEAT Index
In den USA erfolgreich angewanter Index zur Vorhersage von schweren Gewittern und Tornados.

Formel: SWEAT = 12 * (TD850) + 20 * (TTI - 49) + 2 * (WS850) + (WS500) + 125 * (sin(WD500 - WD850) + 0.2)
(WS = Windspeed, WD = Winddirection)
< 272 Thunderstorms unlikely
273-299 Slight risk - general thunderstorms
300-400 Moderate risk - approaching severe limits
401-600 Strong risk - few severe t-storms/isolated tornadoes
601-800 High risk of severe t-storms/scattered tornadoes
801+ High wind damage, but not favorable for severe weather


Craven Significant Severe Weather Index
Der Craven SigSvr Index ist ein kombinierter Index zwischen CAPE und der Windscherung zwischen Boden und 6km Höhe.

Formel: Craven SigSvr = CAPE * 0..6km Windshear [m^3/s^3]

Skala:
0-5 Keine schweren Gewitter zu erwarten
5-10 Schwere Gewitter möglich
>10 Schwere Gewitter zu erwarten

Beispiele:
12.24 m^3/s^3 (Payerne 08.05.2003 12Z)
14.14 m^3/s^3 (Payerne 02.06.1999 12Z)
33.89 m^3/s^3 (Payerne 24.06.2002 00Z)
60.49 m^3/s^3 (De Bilt 18.06.2002 12Z)


Supercell Composite Parameter
Der SCP ist ein kombinierter Index zwischen dem maximalen CAPE, 3km Storm Relative Helicity und Bulk-Richardson Windshear. Er wurde vom Storm Prediction Center in den USA entwickelt. Je grösser der Wert, desto höher die Wahrscheinlichkeit für Superzellen und Tornados.

Formel: SCP = (Most Unstable CAPE / 1000) * (3km SRH / 100) * (BRN Shear / 40) [1]

Skala:
<=1 Keine Superzellen zu erwarten
1-4 Superzellen sind möglich
>4 Superzellen sind wahrscheinlich

Beispiele:
1.76 (Payerne 08.05.2003 12Z)
3.19 (De Bilt 18.06.2002 12Z)
6.12 (Payerne 24.06.2002 00Z)
19.44 (Payerne 02.06.1999 12Z)


Significant Tornado Parameter
Der STP besteht wie der SCP aus Supercell Composite Parameter aus mehreren Teilen. Dies sind CAPE, Höhe des Lifted Condensation Level (LCL) über Boden(AGL), 1km Storm Relative Helicity und 6km Windshear.

Formel: STP = (CAPE / 1000) * ((2000 - Höhe LCL AGL) / 1500) * (1km SRH / 100) * (0..6km Windshear / 20) [1]

Skala:
<=0.5 Keine Signifikanten (>= F2) Tornados zu erwarten
>0.5 Signifikante Tornados sind möglich

In der Schweiz und Europa wird der Wert von 0.5 nur in seltenen Fällen erreicht, da entweder das LCL auf Grund der zu niedrigen Feuchte in Bodennähe zu Hoch liegt, oder die 1km SRH zu klein ist wegen des fehlenden Low-Level Jets.

Beispiele:
0.01 (Payerne 08.05.2003 12Z)
0.10 (Payerne 24.06.2002 00Z)
0.25 (Payerne 02.06.1999 12Z)
0.59 (De Bilt 18.06.2002 12Z)


Experimental Supercell Index for Switzerland (SIS)
Der SIS besteht aus einer Kombination von Maximaler Windgeschwindigkeit zwischen 850 hPa und 500 hPa und der 100mB Mean Layer CAPE CCL der unteren und mittleren Höhen (Surface - 400 hPa).

Formel: SIS = (Max. Windspeed 850_500 / 30 * 2) * (CAPE CCL Sfc_400 / 500) [J/kg * m/s]

Skala:
< 1.4 Es werden keine Superzellen erwartet (Supercells not likely).
1.4 - 1.99 Superzellen sind möglich (Supercells possible).
>= 2.0 Superzellen werden erwartet (Supercells expected).

Grafiken:
- Maximale Windgeschwindigkeit 850-500 hPa
- 100mB Mean-Layer CAPE CCL (Surface - 400 hPa)
- Experimental Supercell Index for Switzerland (CH)


KO Index
Relativ neuer Gewitterindex des Deutschen Wetterdienstes. Er beschreibt die Potentielle Instabilität zwischen den unteren und oberen Luftschichten.

Formel: KO-Index = 0.5 * (ThetaE700 + ThetaE500) - 0.5 * (ThetaE1000 + ThetaE850)
> 6 Thunderstorms unlikely
2-6 Thunderstorms possible
< 2 Severe Thunderstorms possible


Deep Convective Index
Index zur Vorhersage von hochreichender Konvektion (Gewittern).

Formel: DCI = T850 + Td850 - SLI
SLI = Surface Lifted Index
< 10 Thunderstorms unlikely
10-20 Thunderstorms possible
20-30 Strong Thunderstorms possible
> 30 Severe Thunderstorms possible


CS Index
Gewitterindex aus CAPE und Windscherung (siehe auch SWEAT Index), der in der Schweiz erfolgreich in der Gewittervorhersage getestet wurde.

SWISS00 / SWISS12 Index
Von Heidi Huntrieser speziell für die Schweiz (nördlich der Alpen) entwickelte Gewitterindices für die 00Z und den 12Z Radiosonden Aufstiege.

Storn Direction / Storm Motion
Generelle Zugrichtung und Zuggeschwindigkeit von Gewittern. Superzellen können zum Teil deutlich davon abweichen!
Beispiel

Wind Shear Dir Sfc - 3000 / Wind Shear Sfc - 3000
Windrichtungs- und Windgeschwindigkeits Änderung zwischen dem Boden und 3000m über Boden.

Wind Shear Dir 3000 - 6000 / Wind Shear 3000 - 6000
Windrichtungs- und Windgeschwindigkeits Änderung zwischen 3000m über Boden und 6000m über Boden.

Wind Shear Dir Sfc - 6000 / Wind Shear Sfc - 6000
Windrichtungs- und Windgeschwindigkeits Änderung zwischen dem Boden und 6000m über Boden.

Bulk Shear
Wird für Bulk Richardson Number gebraucht (unwichtig).

Ri Shear
Wird für Bulk Richardson Number gebraucht (unwichtig).

Bulk Richardson Number
Aus der Bulk Richardson Number (BRN) lässt sich ableiten was für ein Gewittertyp zu erwarten ist (siehe auch Energy Helicity Index).

Formel: BRN = (CAPE / 0-6km Shear)
< 10 Thunderstorms unlikely - single cell type
11-49 Moderate chance - supercell in nature
50+ Strong chance - multi cell type


Storm Relative Helicity
Die Storm Relative Helicity (SRH) ist ein Mass für die Richtungs- und Geschwindigkeits Änderung des Windes in den unteresten 3000m.
Beispiel

< 80 Supercells unlikely
80-150 Supercell Storms
150-299 F0, F1 Tornadoes
300-499 F2, F3 Tornadoes
> 450 F4, F5 Tornadoes


Effective Storm Relative Helicity
Die Effective SRH soll die für ein Gewitter zur Verfügung stehende Helicity genauer beschreiben als die herkömmliche SRH. Die Effective SRH wird nicht zwingend zwischen Boden und 3km Höhe berechnet, sondern zwischen dem Punkt X wo das aufsteigende Luftpaket zum ersten mal mindestens 50 J/kg erreicht und X + 3km. Besonders bei den Soundings in der Nacht wo sich eine Bodeninversion bildet unterscheidet sich der Wert von der normalen SRH. Tagsüber sind beide Werte meist identisch, ausser im Postfrontalen Bereich wo es oft noch Elevated CAPE gibt.

Energy Helicity Index
Der Energy Helicity Index (EHI) wird in den USA als einer der Besten Indices zur Vorhersage von Tornados gebraucht. Er berechnet sich aus CAPE und Storm Relative Helicity, also den beiden wichtigsten Parametern zur Bestimmung des zu erwartenden Sturm Typs.

Formel: EHI = (CAPE * SRH) / 160'000
< 0.8 Tornadoes unlikely
0.8-1 F0, F1 Tornadoes
1-4 F2, F3 Tornadoes
> 4 F4, F5 Tornadoes

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