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Wie entsteht Starkregen?

Starkregen ist ein sehr komplexes Naturphänomen. Außerdem wird Starkregen unterschiedlich definiert. Das führt dazu, dass es bei diesem Ereignis viele Missverständnisse vorkommen. In disesm Atrikel möchte ich beschreiben, wie es zu einem solchen Ergeignis kommt, was ist meteoroligsche Ursache davon, und welche Definitionen von Starkregen werden verwendet.

Meteorologischer Ausblick in die Entstehung

Starkregenereignisse sind natürliche Phänomene und die Ausprägung eines komplexen Zusammenwirkens vieler Faktoren und Prozesse, die das Wettergeschehen beeinflussen.

Gewaltige Unterschiede in der Zeitskala und der räumlichen Ausdehnung sind die ersten Herausforderungen bei der Beschreibung der einflussnehmenden Prozesse. Der Hauptantrieb der Wetterbildung ist der kontinuierliche Energieausgleich, der auf verschiedenen Zeit- und Raumskalen stattfindet: von kleinräumigen Turbulenzen bis großräumigen Meeresströmungen.

Energieaustausch im Wasser (Bild: Wolfgang Hasselmann)

Viele Prozesse finden parallel statt und stehen in einer Wechselwirkung miteinander.

Typische räumliche und zeitliche Skalen einiger wichtiger Wetterprozesse. Die Kästen zeigen den Skalenbereich, der von globalen (GME) und lokalen (LM) Wettermodellen abgebildet wird (Majewski & Baldauf, 2005)

Die Energie, die mit der Sonneneinstrahlung die Erde erreicht, ist nicht gleichmäßig verteilt und liegt auf der sonnenzugeneigten Seite der Erde in höherer Konzentration vor. Die Ausdehnung der Luft und die Dichteunterschiede in Ozeanen und in der Atmosphäre fördern die Massenzirkulation.

Wasser spielt eine wesentliche Rolle in der Umverteilung dieser Energie. Durch den Wasserkreislauf sind die unterirdischen und oberirdischen Wassermengen mit der Oberfläche verbunden. Dabei besteht eine Vielzahl an Austauschmechanismen, die eine kontinuierliche Aufnahme und Abgabe der Energie ermöglichen.

Watercyclegerman.jpg
Übersicht über die Austauschmechanismen auf unserer Erde 🌏
Von USGS Georgia Water Science Center Illustration by John Evans, Howard Perlman, USGS Translation into German/Übersetzung: Werner Hoffelner, The Federal Environment Agency of Germany/Umweltbundesamt , Link

Die Sonne bringt durch die Einstrahlung das Wasser zum Verdunsten und warme Luft kann diese Feuchtigkeit aufnehmen. Besonders über großen Flächen, wie Ozeanen, werden große Mengen latenter Energie über diesen Weg von Wasser gespeichert. Die Wasserteilchen verteilen sich in der Luft als Dampf und verbreiten sich auf das 1000-fache des bisherigen Volumens in der Atmosphäre aus. Abhängig von dem Breitengrad, kann auf der Höhe von 9 bis 18 Kilometern die kalte Luft kein Wasser mehr transportieren. Die dort gebildeten Wassertropfen und Eiskristalle kollidieren miteinander und bilden Wolken. Nach Abkühlung oder nach dem Erreichen einer kritischen Größe, fallen sie als Niederschlag aus und schließen damit den hydrologischen Kreis. (Majewski und Baldauf, 2005)

Frontaler Regen vs konvektiver Niederschlag bzw. Starkregen

Die Charakteristik des Niederschlags hängt unmittelbar von den Bedingungen bei der Energieumwandlung zwischen diesen einzelnen Prozessen ab. Langsames und großflächiges Abkühlen passiert meistens beim Aufgleiten von Luftmassen an Gebirgszügen oder an einer anderen kälteren Luftfront. Dabei beobachtet man großflächige Niederschläge mit großen Niederschlagsmengen.

Klassischer frontaler Regen (Feser & Sievers, 1996)

Die zweite Form der Starkregenereignisse wird durch konvektive Prozesse verursacht und tritt verstärkt im Sommerhalbjahr auf. Durch einen schnellen Aufstieg von feuchten und warmen Luftmassen können starke lokale Niederschlagsereignisse und Gewitter entstehen (vgl. Abbildung 2 2, rechts). Die Luftteilchen werden beim Aufsteigen abgekühlt und durch starke horizontale oder vertikale Aufwinde aufgehalten. Dadurch wächst der einzelne Tropfen, bis sein Gewicht den Auftrieb übersteigt. Auf dem Weg zum Boden verbindet sich der Tropfen mit anderen und wird dadurch noch schneller und größer, bis es zum Boden fällt. (Frank Kreienkamp et al., 2016)

konvektiver Niederschlag (Klett, 2017)

Majewski und Baldauf (2005) merken an, dass solche lokalen konvektiven Ereignisse sehr schnell entstehen und wachsen oder auch schnell wieder zerfallen können.

Das gesamte Klimasystem strebt dahin, im Gleichgewicht zu stehen. Da der Wasserkreislauf ein wichtiger Ausgleichmechanismus ist, kann die Veränderung einzelner Umweltfaktoren auch Auswirkungen auf die Niederschlagsbildung haben. Ein solcher Zusammenhang besteht zum Beispiel zwischen maximaler Menge an Wasser in der Luft und der Lufttemperatur. Nach der Clausius-Clapeyron-Beziehung erhöht sich die Aufnahmekapazität der Atmosphäre mit jedem Grad Temperaturzunahme um ungefähr 7 %. Dieses Phänomen ist ein Grund dafür, warum die Niederschlagsmenge extremer Niederschläge im Sommer deutlich höher ist als im Winter (Kreienkamp et al., 2016). Aktuelle Studien prognostizieren für die Erhöhung der mittleren Temperatur, dass durchschnittlich mehr Wasser in der Atmosphäre gespeichert wird, was zur Erhöhung der Niederschlagsintensität führen wird (CSC und GDV, 2012).

Neben natürlichen Faktoren können auch anthropogene Faktoren, wie Versiegelung der Flächen, erhöhter Gehalt an Treibhausgasen in der Atmosphäre, Waldabholzung oder die Zerstörung der oberen Erdschichten, einen Einfluss auf den Wasserkreislauf und indirekt auf die Niederschlagsbildung ausüben (Schlenkhoff und Oertel, 2009).

Im nächsten Artikel beschreibe ich verschiedene Definitionen von Starkregen: Definition von Starkregen

Verwendete Quellen:

  • Majewski, Detlev und Michael Baldauf (2005): Und nun das Wetter: Das lokale Wettermodell des Deutschen Wetterdienstes. In: Physik in unserer Zeit. Band 36, 3. Ausgabe. DOI:10.1002/piuz.200501064, S. 116–123.
  • Kreienkamp, Frank, Thomas Deutschländer, Gabriele Malitz, Monika Rauthe, Andreas Becker, Barbara Früh und Paul Becker (2016) Starkniederschläge in Deutschland. Offenbach am Main, DWD (Hrsg.). Abrufbar unter: Link
  • Schlenkhoff, Andreas und Mario Oertel (2009): Über Starkregen und Sturzfluten / On heavy rainfall and flash flooding. In: Forschungsmagazin Research bulletin, Band 2. Bergischen Universität Wuppertal, 2009. S. 6-11.
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