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04. November 2005 - Föhn im Wipptal, nicht in Innsbruck

Am 4. November 2005 trat im Wipptal und den angrenzenden Gebirgen erstmals seit Monaten wieder eine markante hochreichende Föhnströmung auf, die sowohl dynamisch als auch hydrostatisch unterstützt wurde. Während es am frühen Vormittag noch nach einem klaren Föhndurchbruch im Inntal bei Innsbruck aussah, verschlechterten sich vor allem die hydrostatischen Bedingungen, sodass sich der Föhn ab den Mittagsstunden deutlich abschwächte und schließlich auch zusammenbrach. Bis zu diesem Zeitpunkt waren jedoch lehrbuchhafte Föhnbedingungen gegeben, die ich im Folgenden näher erläutern möchte :

1. Die Großwetterlage (folgende Karten sind alle von 12 UTC) :

Die wellende Kaltfront eines Tiefdruckgebietes über dem Nordmeer sowie der Nordsee verlagert sich nahezu strömungsparallel nach Osten.Ein kurzer , warmaktiver Teil befindet sich über dem nördlichen Deutschland, die Kaltfront schleift über Frankreich und Südostspanien. Im Warmsektor strömt sehr milde Luft mit hohen ThetaE-Werten über Mitteleuropa nordöstwärts.Die 1020hPa-Isobare , die zu einem stabilen Hochdruckgebiet über Russland gehört, zeigt über dem Alpenraum einen zyklonalen Knick auf der Nordseite und einen antizyklonalen Knick auf der Südseite. Unter Vernachlässigung der schlechten orographischen Auflösung der Alpen lässt sich eine Übereinstimmung der (anti)zyklonalen Isobarenform mit den advehierten ThetaE-Werte feststellen. Nördlich der Alpen liegt eine äquipotentiell etwas höher temperierte Luftmasse als südlich, sodass ein schwacher hydrostatischer Gradient entstanden ist , der in den Stunden zuvor noch erheblich stärker ausgeprägt war. Dies ist bereits ein erstes Indiz für eine Südföhnströmung.
Ferner deutet die Lage der Kaltfrontwelle auf eine trogvorderseitige Lage des Alpenraums hin, was mit einer Südwestanströmung verbunden sein muss. Aus der oben gezeigten Karte ist aber nicht ersichtlich, wie stark die Südwestanströmung in den Höhenschichten ist. Lediglich die Entfernung zur Kaltfrontwelle lässt eine weitere Zunahme des Höhenwindes mit Annäherung der Trogachse vermuten.

Diese befindet sich in der 500hPa-Karte noch ein paar Hundertkilometer weiter westlich. Aus der großen horizontalen Entfernungsdifferenz zwischen Bodenkaltfront und Höhentrogachse kann man schlussfolgern, dass die einfließende Kaltluft sehr seicht hereinkommt, d.h. die vertikale Mächtigkeit mit Voranschreiten der Kaltluft nur langsam zunimmt. Entsprechend stabil ist die Schichtung der eingeflossenen postfrontalen Kaltluft.
Für den Alpenraum relevant ist nun die stärkere Südwestströmung in der Höhe, mit rund 40Kn Mittelwind - neben dem zuvor festgestellten hydrostatischen Gradienten ist also auch dynamisch die Voraussetzung für hochreichenden Föhn gegeben.

Entscheidend für die Föhnströmung über den Alpen sind jedoch die 700hPa-Höhenwinde, also das Niveau knapp oberhalb der Föhnschicht bei hochreichendem Föhn. Auch hier ist nach der Prognosekarte von NMM 0z eine , wenn auch wesentlich schwächere Südwestanströmung als in 500hPa gegeben.

2. Die hydrostatischen Verhältnisse im Alpenraum

Die Analysekarte von 6 UTC zeigt die potentiellen Temperaturen in °C sowie die Windpfeile in 10m Höhe. Die Karte repräsentiert den Höhepunkt der hochreichenden Föhnsituation mit einem markanten cold pool in der Poebene sowie höheren Theta-Werten in Innsbruck - die Druckdifferenz zwischen Innsbruck und Bozen beträgt hier ca. 4hPa - was kein besonders hoher Wert darstellt, für eine zumindest seichte Föhnströmung aber ausreichend ist. Sowohl Luvkeil als auch Leetrog, die bereits in der ThetaE-Karte von 12 UTC (GFS) angedeutet sind, zeichnen sich hier deutlich anhand der Isobarenkrümmung ab. Atypisch und damit ein Hinweis auf ein bevorstehendes Ende der Föhnströmung ist jedoch der Ostwind im Alpenvorland, der niedrigere potentielle Temperaturen advehiert und zu einer Umkehr des hydrostatischen Gradienten führt.

So hat sich der Druckgradient zwischen Innsbruck und Bozen um 12 UTC zwar nicht verändert, allerdings hydrostatisch deutlich abgeschwächt. Die Poebene wird potentiell zunehmend wärmer. Inneralpin existiert weiterhin ein warm pool, während im Alpenvorland potentiell deutlich kältere Luft advehiert wird. Die Grenze zwischen Warmluftadvektion von Südwesten und Kaltluftadvektion im Osten bildet ein Leetief im mittleren Donaugebiet, das aufgrund seiner Lage aber dynamisch ,also aufgrund der synoptischen Anströmung erklärt werden kann, hydrostatisch gesehen jedoch ein Luvhoch sein müsste.
Letzendlich schwächte sich die hochreichende Föhnströmung trotz gleichbleibender oder sogar leicht zunehmender synoptischer Südwestströmung ab, da der hydrostatische Gradient zwischen Poebene/Bozen und Innsbruck abnahm, gleichzeitig im Alpenvorland Kaltluft advehiert wurde und daher die Süd-Nordanströmung in den föhnrelevanten Schichten nicht mehr unterstützt wurde.

Die Betrachtung der folgenden IR-Satellitenbilder liefert eine Begründung für den Abbau des hydrostatischen Gradienten und auch für den nicht gestützten Föhndurchbruch in Innsbruck

Um 7.30 UTC liegt eine wolkenfreie Zone über weiten Teilen Norditaliens, Tirol und dem östlichen Alpenvorland. Westlich davon sieht man die schleifende Kaltfrontwelle mit dem kaltaktiven Teil über Frankreich bis nach Spanien sowie dem warmaktiven Teil über Deutschland. Der Trogsektor ist anhand der zellulären und somit konvektiven Bewölkung über der Biskaya zu identifizieren. Mit der feuchtwarmen Südwestströmung gelangen immer wieder z.T. hochreichende Wolkenpakete nach Nordosten - die in den Morgenstunden vor allem über Ostfrankreich bis zum Saarland und dem Rheinland zu schauerartig verstärkten Dauerregen führten und z.T. ergiebige Mengen brachten. Die besagte wolkenfreie Zone ermöglicht ungestörte Einstrahlung in der Poebene und im Alpenvorland, was zunächst in beiden Regionen in einer Erwärmung der Luftmasse resultiert. Für das Wipptal und Innsbruck relevant ist aber die Abschwächung des cold pools in der Poebene , was eine Angleichung der potentiellen Temperaturen vor allem im südlichen Alpenraum bis ins Wipptal zur Folge hat.

Um 11 UTC hat sich die Kaltfrontwelle unter Auflösungserscheinungen weiter ostwärts bewegt - dabei legte sich ein Streifen mit kompakter hoher und mittelhoher Bewölkung über Tirol und das Alpenvorland, während in der Poebene nur zeitweise Wolken vorüberzogen und immer wieder Lücken ließen. Daraus ergeben sich zwei Konsequenzen :
Zum Einen konnte die Poebene weiter durch , wenn auch zeitweilig gestörte Einstrahlung erwärmt werden , während im Alpenvorland durch fehlende Einstrahlung die Kaltluftadvektion wieder die Oberhand gewann und thermisch nicht geschwächt wurde. Zum Anderen konnte in Innsbruck der hochreichende Föhn aufgrund vollständig bedecktem Himmel , stabiler Schichtung im Warmsektor und fehlender thermischer Durchmischung nicht (mehr) durchbrechen - in der Folge nahm auch der vorföhnige Westwind an Intensität ab und wurde kurz darauf vom Talwindsystem abgelöst.

3. Die Entwicklung der Föhnlage im Wipptal und in Innsbruck

Der Radiosondenaufstieg von Innsbruck um 3 UTC zeigt die Situation vor dem Beginn der stärksten Föhnperiode. Am Boden herrscht eine schwache Nordostkomponente, in 800m auf West drehend,also vermutlich Hangabwinde von der Nordkette, die für wenige Minute als Nordwinde den Flughafen erreichen. Innsbruck-Flughafen meldete zu dieser Zeit flachen Bodennebel, der später in feuchten Dunst überging. Innsbruck-Universität gleichzeitig übrigens Südwestwind. Darüber markiert eine starke Temperaturzunahme, kurz unterbrochen in etwa 2000m, bis etwa 2200m die Föhnschicht, die insgesamt bis etwa 2800m reicht. Bis zu dieser Höhe überwiegt auch eine Südsüdostkomponente, darüber der synoptische Westwind.In der Textlist des Sondenaufstiegs findet man einen Windsprung von 160 auf 210° zwischen 2671 und 3100m , was obige Vermutungen bestätigt.
Die Südostkomponente anstelle der synoptischen Südwestströmung unterhalb 700hPa lässt sich möglicherweise mit der Verdriftung der Radiosonde ins Lee des Patscherkofels erklären, der bei Südströmungen fast immer Südostwind aufweist. Ferner: "Interessant ist auch, dass sogar der Patscherkofel und der Wolfendorn, deren potentielle Temperatur Innsbruck im Fall eines Föhndurchbruchs zu erwarten hat, noch niedrigere Temperaturen aufweisen als der Innsbrucker Temp in der entsprechenden Höhe:" (Georg Pistotnik)
Die Zunahme der Feuchte besonders oberhalb ca. 6km kündigt die sich näherende Kaltfrontwelle an, deren dichte mittelhohe Bewölkung in den frühen Mittagsstunden das Inntal bei Innsbruck erreichte und zur völligen Abschattung führte.

Der Wolfendorn (2777m) , südöstlich vom Sattelberg bereits auf südtiroler Seite gelegen, meldete ab 14 UTC des 3. Novembers Südostwind, der im weiteren Verlauf immer mehr auf Ost eindrehte. Die Windgeschwindigkeit nahm zunächst um 14 UTC mit Beginn der stärkeren Südkomponente langsam zu und verstärkte sich dann um 20 UTC bzw. 2 UTC des Folgetages deutlich.Der Höhepunkt der Föhnperiode herrschte zwischen 2 und 15 UTC, schwächte sich dann aber ab. Die im Vergleich zum Mittelwind viel höhere Böigkeit des Windes sowie die deutliche Ostkomponente grenzen die Föhnströmung von der zuvor herrschenden föhnlosen Südkomponente ab.

Am Sattelberg (2105m) beginnt ebenfalls um 14 UTC die durchgehende Südströmung mit einem ersten Windmaximum bis 2 UTC sowie dem Föhnmaximum zwwischen 4 und 7 UTC. Auch im weiteren Verlauf bleibt die Föhnströmung unter leichter Abschwächung erhalten. Erstmals im Jahr 2005 erreichte der Sattelberg Windgeschwindigkeiten über 20m/s , was ein Indiz für eine in dieser Höhe besonders intensive Föhnschicht ist. Im Gegensatz zum Wolfendorn hat die Föhnströmung am Sattelberg deutlich früher eingesetzt, nämlich mit dem Beginn der Südkomponente, was anhand der Böigkeit abzulesen ist. Interpretiert werden kann die Zeitverzögerung zwischen Sattelberg und Wolfendorn mit der hydrostatischen Dominanz über die Dynamik, d.h. die Föhnschicht war bis über das Sattelbergniveau überwiegend durch die Hydrostatik beeinflusst, darüber mehr durch die synoptisch (in 700hPa schwache!) Strömung und wurde erst nach Mitternacht auch in dieses Niveau "föhnig".

In Ellbögen (1080m) im unteren Wipptal drehte die Strömung ab etwa 16 UTC des Vortages , unterbrochen durch große Fluktuationen in der Windrichtung und -geschwindigkeit auf Südost und wurde ab 2 UTC in Übereinstimmung mit Wolfendorn und Sattelberg konstant sowie mit erheblicher Böigkeit bis ca. 18m/s föhnig.Ab 12 UTC nimmt die Windgeschwindigkeit rasch ab, um 15 UTC erfolgt der Föhnzusammenbruch und Windsprung auf Taleinwind.

In Innsbruck (580m) herrscht bis zum Beginn des vorföhnigen Westwinds normales Ausfließen - kontinuierlich niedrige Windgeschwindigkeiten unter 2m/s sowie eine starke Inkonsistenz in der Windrichtung - das Talwindsystem hat also die Oberhand. Zu beachten ist, dass sich auch mit Südostwind im Wipptal der Westwind kaum verändert. Man kann also davon ausgehen, dass es sich bei Ellbögen in diesem Zeitraum um den thermisch induzierten Talauswind handelt und die Windsprünge in Richtung und Geschwindigkeit mit den Talauswinden aus den Seitentälern zusammenhängen. Um 4 UTC setzte dann in Innsbruck kontinuierlicher Westwind ein sowie zugleich starke Windzunahme und -böigkeit mit einem Maximum von 8-10 UTC. Dieses korreliert auch mit den Windmaxima bei Ellbögen und Sattelberg. Die Erodierung der Kaltluftschicht im Inntal mit turbulenter Durchmischung führte zu verstärktem Ausfließen, um den Massenverlust auszugleichen. Um 14 UTC , etwas früher als bei Ellbögen, endete der vorföhnige Westwind und das Talwindsystem übernahm wieder das Regime.

In Jenbach (keine Graphik vorhanden) östlich von Innsbruck gab es von 7 bis 12 UTC durchweg Südwestwind , also ebenfalls vorföhniges Ausfließen. Nach der Theorie über den vorföhnigen Westwind wird dieser in der Regel mit der Entstehung eines Leetiefs knapp östlich von Innsbruck begründet, was normal Ostwinde in Jenbach zur Folge hat. Warum das hier nicht der Fall war, könnte man mit der großen Mächtigkeit der Föhnströmung begründen. Dadurch gehen die Leewellen über das Inntal eher hinweg , erodieren aber wegen der horizontalen Mächtigkeit der Föhnströmung in weiten Teilen des unteren Inntals die Kaltluft . Das eigentliche "Leetief" bildet sich somit erst im Alpenvorland und saugt die Kaltluft aus dem gesamten Inntal ab. Eine lokale Leetiefbildung war in diesem Fall also nicht gegeben. Leider lässt sich diese These aufgrund fehlender Messwerte zwischen Innsbruck und Jenbach nicht verifizieren. Zwischen 12 und 13 UTC übernahm auch hier der Taleinwind wieder die Oberhand.

4. Die Identifikation der Föhnmächtigkeit anhand Vergleichsdaten von Tal- und Bergstationen

Neben den potentiellen Temperaturen, die entlang der Stromlinien über ein Gebirge als konstant angenommen werden (Isentropen) und als Tracer für die Föhnluft gelten kann man die Herkunft der Föhnluft vereinfacht auch über die lapse rate bestimmen, d.h. bei einer konstanten Temperaturabnahme von 1K/100m zwischen Talstation und einer Referenzstation (Bergstation oder Passstation) ist die potentielle Temperatur zwischen beiden Stationen identisch und die Föhnluft stammt daher von der Bergstation. Dieses Föhnmodell ist jedoch nicht immer auf die Realität übertragbar und weist auch Fehlerquellen auf, sodass diese Annahme nur eine annäherend richtige Auskunft über den Föhnursprung gibt. Je mehr Stationen als Referenz vorliegen, umso genauer wird die Herkunftsbestimmung der Föhnluft.

Ich möchte nun anhand der Temperaturdaten ausgesuchter Stationen die vertikale Mächtigkeit der Föhnströmung zum Zeitpunkt des Föhnmaximums um 6 UTC feststellen.Dabei verwende ich folgende Abkürzungen :

Um 6 UTC werden folgende Temperaturen gemeldet (in Klammern Windrichtung):

Zwischen Zugspitze und Wolfendorn ist eine Temperaturinversion erkennbar, die nach der Vertikalsondierung die Obergrenze der Föhnschicht bei ca. 2800m markiert.Eine weitere Inversion befindet sich zwischen Sattelberg und Patscherkofel - sie trennt in etwa die seichte Föhnströmung von der hochreichenden Föhnströmung darüber, zeichnet sich aber im Gegensatz zum Fall 1 nicht durch einen stärkeren Windsprung aus. Während die Windrichtung auf der Zugspitze der freien Atmosphäre und damit der synoptischen Südwestströmung zuzuordnen ist, ist der Südostwind am Patscherkofel hydraulisch durch die Talachse des unteren Wipptals und deren Auswirkung in Form von Schwerewellen bis zum Patscherkofel beeinflusst. Der Südwind am Sattelberg wird durch die fehlenden Hindernisse im oberen Wipptal begünstigt.
Der Brenner fällt mit seinen wenig höheren Temperaturen gegenüber der Zugspitze aus dem "Raster" ,d.h. die Luft von der Föhnschichtobergrenze trockenadiabatisch bis zum Brenner erwärmt, ergibt viel höhere Werte als tatsächlich auftreten. Die Föhnluft erreicht den Brenner selbst also nicht. Außerdem stellt man einen überadiabatischen Temperaturgradienten zwischen Brenner und Ellbögen fest, der fast 2K/100m beträgt. Kommt die Föhnluft doch vom Brenner ? Nein, denn eine derartige turbulente Durchmischung hätte extreme Windgeschwindigkeiten oberhalb der 30m/s-Marke zur Folge, wie sie in Ellbögen aber eindeutig nicht vorliegen. Die Föhnluft, die Ellbögen erreicht, stammt also eindeutig nicht aus dem tiefen Brennereinschnitt, sondern muss aus höheren Schichten herabströmen.
Wolfendorn und Patscherkofel zeigen hingegen ein V, d.h. der Patscherkofel ist nicht Urheber der Föhnluft, sondern bereits von dieser erfasst. Sattelberg und Ellbögen zeigen ebenfalls ein V, die Föhnluft erreicht Ellbögen aus einem Niveau um den Sattelberg bis zur 1. Föhninversion in ca. 2200m. Das ist in etwa der Grenzbereich zwischen seichtem und hochreichenden Föhn - zwischen lower und upper gap flow. Hohe Windgeschwindigkeiten am Patscherkofel um die 94km/h in der Windspitze zur Hauptföhnperiode liegen in der exponierten Gipfellage begründet sowie durch hydraulische Effekte der Talstruktur - die hohen Windgeschwindigkeiten am Sattelberg und in Ellbögen könnten hingegen mit einer Drängung der Stromlinien knapp unterhalb der Föhninversion zusammenhängen. An dieser werden Schwerewellen zudem gebrochen, sodass deren Energie innerhalb der unteren Föhnschicht bleibt und in kinetische Energie ( = Wind) umgewandelt wird.

Folgende Graphik zeigt die Temperaturmessreihen am 4.November 2005 von 0-16 UTC von Patscherkofel, Brenner und Zugspitze.

Der Patscherkofel ist bis etwa 10 UTC deutlich wärmer als der Brenner , also in der Föhnschicht. Die Zugspitze ist trotz 750m höheren Niveaus nur um 4-5K kälter als der Patscherkofel. Um 6 UTC sackt die Temperatur um mehr als 2K ab , die Bergstationen sind kurzzeitig fast durchmischt - hier könnte also auch das Maximum des hochreichenden Föhns liegen. Der folgende Temperaturanstieg ist bei allen Stationen auf den Tagesgang zurückzuführen und geht ab dem Mittag mit zunehmender Bewölkung wieder in ein Fallen über. Nur am Brenner bleibt die Temperatur weiterhin hoch , was auf dortige Wolkenlücken schließen lässt.

5. Fazit

Es handelte sich am 4. November 2005 um eine hochreichende Föhnströmung bis etwa 2,8km. Diese war in zwei Föhnströmungen unterteilt, die durch eine Temperaturinversion im Grenzbereich zwischen lower und upper gap flow getrennt wurden. In der seichten Föhnkomponente traten die stärksten Windgeschwindigkeiten auf , was auf Kanalisierungseffekte im Wipptal sowie Brechung der Schwerewellen an der Temperaturinversion zusammenhängen kann. In der hochreichenden Föhnkomponente gab es abgesehen vom Patscherkofels, der von der Taltopographie des Wipptals beeinflusst wird, insgesamt schwächere Windgeschwindigkeiten. Treibende Kraft für diese Föhnsituation war der hydrostatische Faktor, da trotz gleichbleibender dynamischer Südwestanströmung der Föhn am Nachmittag in den unteren Schichten zusammenbrach. Fehlende Einstrahlung im Inntal sowie Kaltluftadvektion im Alpenvorland und Einstrahlung in der Poebene verhinderten ein Durchbrechen des Föhns in Innsbruck.

Quellen:

© www.inntranetz.at