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17. November 2009 - Seichter Föhn und Wellenbildung im Bodennebel

Stand: 1. Dezember 2009

1. Daten und Fakten

Der November 2009 zeichnete sich von den Temperaturen bis zum 13. November leicht unterdurchschnittlich, danach überdurchschnittlich aus. Infolge der ab dann etablierten, recht hartnäckigen Südwestlage kam es zeitweise zu leichtem Südföhn. Der Südföhn am 17. November 2009 gehört zu der seichteren Sorte, da in Kammhöhe ein Westwind, später sogar Nordwestwind, blies. Aufgrund der warmen Luftmasse wurden stellenweise dennoch Temperaturrekorde für November gebrochen. Nachfolgend ein paar Temperaturmaxima über 20°C (Quelle: Austrowetter und Meteomedia Schweiz/Deutschland): Der Extremwert in Sonthofen ist auf eine Kombination aus Föhnluft und Warmluftadvektion zurückzuführen. Bei südwestlicher bis westlicher Anströmung kommt die Luft über die Hörnergruppe (maximal 1787m) bzw. durch das Kleinwalsertal ins Illertal. Da die 850 hPa-Temperaturen schon von Grund auf mit +11 bis +14°C sehr hoch waren, ist der Beitrag des Föhns vergleichsweise gering einzuschätzen, ohne die Überströmung hätte es jedoch nicht zu den Höchstwerten gereicht, da weiter stromabwärts im Vorland niedrigere Höchstwerte gemessen wurden.

In Innsbruck wurden mit +15,0°C am Flughafen sowie +15,7°C an der Universität deutlich niedrigere Maxima trotz Föhn erreicht. An der Universität war der Südföhn zwischen 16.00 MEZ und 19.00 MEZ mit stärkeren Böen spürbar, am Flughafen nur zwischen 16.00 MEZ und 17.00 MEZ mit schwachem Südwind. Bemerkenswert ist hier der Rückgang der Temperatur mit dem einsetzenden Windsprung an der Universität.

Neben dem seichten Föhn trat trotz vorföhnigem Westwind auch Bodennebel in Innsbruck auf, in dem sich Schwerewellen ausbildeten, welche in den frühen Morgenstunden (ca. 6.45 bis 7.10 MEZ) sichtbar waren. Die Ursachen dieser Wellen sowie die Entwicklung des seichten Föhns im Wipptal und Innsbruck ist Gegenstand der nachfolgenden Fallstudie. Zunächst wird kurz der Hintergrund des Föhnmechanismus beleuchtet, im Anschluss daran kurz der Theorie der Kelvin-Helmholtz-Wellen, schließlich die synoptische Entwicklung mit zahlreichem Archivmaterial. Die Fallstudie wird mit einer Zusammenfassung abgerundet.

2. Föhn

Ich möchte mich hier auf die wesentlichen Grundlagen des Föhns, in Zusammenhang mit den Alpen, beschränken. Eine erschöpfende Behandlung der Thematik findet sich unter der Rubrik Föhn auf meiner Website.

2.1 Definition

"Föhn ist ein Wind, der durch Absinken wärmer und relativ trockener wird - allgemein auf der Leeseite von Gebirgen." (WMO 1992)

In der Regel ist der Föhn ein böiger Wind. Das allgemein bezieht sich auf die sogenannte gap flow-Dynamik, nach der Föhnwinde auch ohne Gebirgsüberströmung auftreten können.

2.2 Entstehung

Horizontale Luftmassenunterschiede, ausgedrückt durch die potentielle Temperatur, sind für die Entstehung einer Föhnströmung essentiell. Diese verursachen Druckunterschiede, welche der Wind auszugleichen versucht. Im Unterschied zur Bora reicht die trockenadiabatische Erwärmung im Lee aus, um einen Temperaturüberschuss zu erzeugen. In der Schweiz tritt Südföhn nahezu immer mit Niederschlag auf, während in Österreich die Hälfte aller Föhnereignisse nicht mit Niederschlag verbunden ist. Die Rolle des Niederschlags bei der Entstehung von Föhn ist noch nicht restlos geklärt und derzeit Gegenstand von Studien bzw. Diplomarbeiten.

Druckunterschiede können neben der synoptisch-skaligen Anströmung selbst durch differentielle Temperaturadvektion entstehen, aber auch durch unterschiedliche Strahlungsflüsse, beispielsweise bei Bewölkung im Luv, welche den Druckfall untertags vermindert oder sogar stoppt.

2.3 Typen

Häufig werden die Begriffe seichter und hochreichender Föhn, Strömungen durch Gebirgseinschnitte (gap flows) sowie Dimmerföhn gebraucht. Während der Dimmerföhn mit messbarem Niederschlag im Lee verbunden ist, entstehen gap flows (Mayr und Gohm 2006) an allen Gebirgseinschnitten unterhalb Kammniveau, selbst wenn keine synoptisch-skalige Anströmung gegeben ist. Die potentiell kühlere Luft im Luv fließt dann über den Gebirgseinschnitt ins Lee. Wenn die Föhnströmung bis über den Alpenhauptkamm reicht, spricht man von hochreichendem Föhn, unterhalb Kammniveau von seichtem Föhn.

Im Wipptal südlich von Innsbruck existieren in Höhe des Brennerpasses drei Gebirgseinschnitte unterschiedlichen Volumens (nach Mayr und Gohm 2006 bzw. Mayr. et al. 2007) :

Die Mehrzahl der Föhnfälle, die ich seit Beginn meines Studiums in Innsbruck beobachtet habe, sind diese über die (untere und) mittlere Gebirgslücke, wenn die Talstationen sowohl mit Sattelberg (2108m) als auch mit Wolfendorn (2777m) am Brenner trockenadiabatisch durchmischt sind. Echte, hochreichende Südföhnfälle sind verhältnismäßig selten, auch rein seichte Föhnfälle (unterhalb 2300m ) habe ich eher wenige registriert.

Charakteristisch für den Innsbrucker Föhn ist von hochreichendem Föhn abgesehen die im Verhältnis zu umliegenden Föhntälern verminderte Maximaltemperatur, was für das Anzapfen der luvseitig potentiell kühleren Luftmasse spricht, die eine stärkere Erwärmung wie etwa im Rheintal, Brandnertal, oder Salzachtal verhindert.

3. Kelvin-Helmholtz-Wellen

Bei Kelvin-Helmholtz-Wellen handelt es sich um sogenannte externe Schwerewellen, die an einer Grenzfläche zwischen einem dichteren und dünneren Medium entstehen. Die Grenzfläche ist vom vertikalen Temperaturunterschied her stabil geschichtet, da das dünnere Medium auf dem dichteren Medium aufliegt. Die notwendige Scherungsinstabilität, welche die Wellenbildung anregt, wird durch vertikale Windscherung hervorgerufen, d.h. die dünnere (wärmere) Luftmasse strömt rascher als die darunterliegende dichtere (kältere) Luftmasse.

Quelle: http://www-frd.fsl.noaa.gov/mab/scatcat/ - Copyright Brooks Martner

Schematische Skizze zur Entwicklung von Kelvin-Helmholtz-Wellen mit fortschreitender Zeit.
Ab t = 3 beginnen die Wellenberge zu brechen (vgl. Meereswellen). Anschaulich wird dies, wenn man sich die Stromlinien als Isentropen (Linien gleicher potentieller Temperatur) vorstellt. Im überhängenden Bereich des Wellenbergs ist die potentielle Temperatur niedriger als darunter, die Schichtung wird statisch instabil.

4. Synoptische Entwicklung

In den ersten Unterkapiteln wird zunächst auf die synoptisch-skalige Entwicklung sowie auf die Voraussetzungen für den seichten Föhn eingegangen, im Unterkapitel 4.6 folgt die nähere Betrachtung der Wellenbildungen im Bodennebel.

4.1 Reanalysiskarten

Die Großwetterlage vom 17. November 2009, 12 UTC, lässt sich am Besten mit dem Satreponline-Tool beschreiben, das Satelliteninformationen und EZMWF-Modellanalyse kombiniert:

Ein mächtiger Höhenrücken mit Zentrum über Libyen erstreckt sich bis nach Mitteleuropa und lenkt die Frontalzone um den Alpenraum herum. Der Jetstream ist aufgrund einer verlängerten Trogachse bis zu den Kanarischen Inseln aufgespalten. Dier nördliche Ast reicht von Neufundland über die Britischen Insln bis nach Deutschland, wo er sich mit dem südlichen Ast, der von Nordwestafrika für die Jahreszeit überdurchschnittlich warme Luftmassen nach Europa transportiert, nordostwärts reicht, wieder vereinigt. Während warme Absinkluft in weiten Bereichen des Keils dominiert, nimmt die Höhentemperatur nach Nordwesten hin ab, was für die Fragestellung, ob es sich um seichten oder hochreichenden Föhn handelt, von entscheidender Bedeutung sein wird.

Die wetterbestimmende Systeme für den Alpenraum sind ein okkludiertes Tiefdruckgebiet über der Nordsee, dessen wellende Kaltfront über Mitteleuropa eine flache Randtiefbildung angeregt hat. Dieses befindet sich zum Zeitpunkt der Analyse über Süddeutschland, ist aber aufgrund einem Mangel an zyklonaler Scherungsvorticity, Höhenkaltluft und relativer Feuchte weitgehend inaktiv im Wolkenbild.

Die 6h-Abfolge der 850 hPa-Geopotential + Temperaturverteilung zeigen die GFS-Analysekarten, beginnend mit Montag, 16.11.2009, 12 UTC, bis Dienstag, 17.11.2009, 18 UTC.

Hauptaugenmerk gilt der flachen Randtiefbildung über Deutschland sowie der Temperaturverteilung im Alpenraum. Als Vorgriff zu den späteren Stationsdaten sei gesagt, dass am Sattelberg bis 16.11., 18 UTC, noch Südföhn herrschte, dann eine Entkopplung eintrat, und im Wipptal der Südföhn am 16.11., um ca. 13 UTC einsetzte.

Die Wetterkartenabfolge zeigen das okkludierte Zentraltief über Schottland, das bis zum Abend des Folgetags langsam weiter zur Nordsee zieht. Es advehiert verhältnismäßig hohe 850 hPa-Werte nördlich der Alpen nach Mitteleuropa, die 850 hPa-Isohypsen deuten dabei in der gesamten Periode eine westsüdwestliche Windkomponente im Alpenraum an. Der niedrigere Luftdruck liegt durchwegs nördlich des Alpenhauptkamms, sodass ein synoptisches Druckgefälle über die Alpen hinweg gegeben war.

Weiters existiert bereits am 16.11, 12 UTC, ein leichtes Temperaturgefälle von der Alpensüdseite nach Norden, mit ca. +5°C in Bozen und +7°C über Oberbayern. Um 18 UTC, als der Sattelberg aus der Föhnschicht fliegt, befindet sich das Kältereservoir weiterhin südlich des Hauptkamms (beachte die Modelltopographie!), bis Mitternacht ändert sich wenig.

In den Morgenstunden des 17.11. setzt über Zentralfrankreich eine flache Wellenbildung ein, die zu einer Drängung der Isohypsen über Südfrankreich führt. Infolgedessen verstärkt sich der Warmlufttransport mit dem "Low-Level-Jet" westlich bzw. nördlich der Alpen. Die advehierte Warmluft kann in die stabil geschichtete Poebene mit dem Kaltluftpolster nicht eindringen bzw. gelangt erst gar nicht über den westlichen Alpenbogen. Dadurch verstärkt sich der Temperaturgegensatz zwischen Alpensüd- und nordseite erheblich. Am 17.11., 12 UTC, beträgt dieser 9K zwischen Bozen und München, wobei die starke Erwärmung über Bayern und Oberösterreich nur teilweise dem Föhn zugeschrieben werden kann, da auch in der föhnunbeinflussten Region in Südostfrankreich 850 hPa-Temperaturen von 13-15°C vorherrschen.

Mit der Passage des Randtiefs am Nachmittag bricht auch in Innsbruck vorübergehend der Föhn durch, als der Druckgradient maximal wird, ehe im weiteren Verlauf mit einsetzender Dunkelheit rasch wieder die Entkopplung durch Ausstrahlung die Oberhand gewinnt. Der Druckgradient bleibt bis zum Durchgang der Kaltfront in der zweiten Nachthälfte (nicht gezeigt) erhalten und verstärkt sich mit der Annäherung der Kaltfront nochmals, sodass auch am Sattelberg die Südströmung wieder stärker und in der Windrichtung beständiger wird (nicht gezeigt).

4.2 Satellitenbilder

Der für die nachfolgende Analyse relevante Zeitraum erstreckt sich von Sonnenauf- bis untergang am 17.11.2009.

Ehe die Frage geklärt wird, ob es sich um seichten oder hochreichenden Föhn im Wipptal handelt, soll der Antriebsmechanismus dieses Föhnfalls näher beleuchtet werden. In vielen deutschen Lehrbüchern wird als Voraussetzung für eine Föhnströmung Wolkenbildung und Niederschlag genannt. Dies ist falsch, da es Föhn auch ohne diese beiden Komponenten geben kann. Der 17.11. ist ein eindrucksvolles Beispiel für einen "antizyklonalen" Föhn. Die Wolkenbildung fungiert hier nicht als Wärmespender, sondern ermöglicht eine Verstärkung der horizontalen Druckdifferenz. Die nachfolgenden Satellitenbilder von NOAA und Sat24 zeigen eine beständige Hochnebelschicht auf der Alpensüdseite, die die Sonneneinstrahlung gänzlich verhindert.

Zu Sonnenaufgang ist ganz Südtirol unter einer Hochnebeldecke verschwunden. Lediglich die höheren Gebirgsgruppen wie das Ortler-Massiv, die südlichen Zillertaler Alpen und die südlichen Ötztaler Alpen schauen aus dem Nebel heraus, auch einzelne Bergketten der nördlichen Sarntaler Alpen sind noch erkennbar. An der österreichisch-italienischen-Grenze hört die Hochnebelschicht wie abgeschnitten auf, das Wipptal ist wolkenlos, im Unterinntal halten sich von Innsbruck bis Kufstein flache Nebelfelder.

Die Obergrenze der Hochnebelschicht lag in der Poebene um Mitternacht bei 2500m und sank bis zum Mittag auf 2300m ab. Dies stimmt auch mit den Webcambildern der Nordkette überein (s.u.), welche die Hochnebelobergrenze auf rund 2200m schätzen lässt.

Die Satellitenbilder von Sat24 im sichtbaren Bereich stehen repräsentativ für die Bewölkungsvertelung am Vormittag (08.00 UTC), Mittag (11.00 UTC) und Nachmittag (14.00 UTC):

Die Hochnebeldecke in Südtirol zeigt zu allen Zeitpunkten keine Auflösungserscheinungen, während das Inntal und Wipptal bis zum Nachmittag wolkenlos bleibt. Während sich die Luftmasse unter dem Hochnebel also untertags kaum erwärmen kann, strahlt es nördlich des Hauptkamms ungehindert ein und es steht viel fühlbare Wärme für den Temperaturanstieg zur Verfügung. Entsprechend resultieren im Tagesverlauf zunehmende Druckdifferenzen, was die Stationsdaten von Bozen, Innsbruck und München belegen:

4.3 Stationsdaten für synoptisch-skalige und meso-skalige Bedingungen

Hinweis:

Stationsorte wie Mailand oder München sind zwar weit von der Interessensregion entfernt, jedoch frei von orographischen Besonderheiten, sodass sie als repräsentativ für die synoptisch-skalige Luftdruck- und Temperaturverteilung betrachtet werden können.

Die Druckdifferenzen (in hPa) zwischen Bozen, Innsbruck-Uni und München sprechen eine klare Sprache:

Zeitpunkt Bozen Innsbruck München
16.11.2009, 18 UTC 1019 1016,5 1013
17.11.2009, 00 UTC 1020 1018,5 1014
17.11.2009, 06 UTC 1021 1020 1015
17.11.2009, 12 UTC 1022 1016 1013
17.11.2009, 15 UTC 1022 1015 1013
17.11.2009, 16 UTC 1021 1015,5 1013
17.11.2009, 17 UTC 1022 1016,8 1013
17.11.2009, 18 UTC 1022 1016 1014

Auf der Alpensüdseite herrschte durchwegs der höhere Luftdruck als auf der Alpennordseite, die Druckdifferenz zwischen Bozen und München lag durchwegs über 6 hPa und stieg am Nachmittag bis auf 9 hPa an. In Innsbruck war das Druckgefälle zunächst geringer, am 17.11., morgens herrschten kurzzeitig fast ausgeglichene Verhältnisse, da der Hochnebel in der Nacht in Südtirol eine stärkere ausstrahlungsbedingte Auskühlung verhinderte, während es im Inntal wolkenlos blieb.

Untertags verstärkten sich die Druckgegensätze rasch, da der Hochnebel in Südtirol die Einstrahlung gänzlich behinderte und den Luftdruck konstant hielt, während die volle Einstrahlung in Nordtirol dort den dynamischen (Durchzug des flachen Tiefdruckgebiets) Druckfall unterstützte.

Zur Zeit des Föhndurchbruchs in Innsbruck-Uni (15-18 UTC) bzw. am Flughafen (15-16 UTC) war das Druckgefälle mit 6-7 hPa maximal.

Folgende Tabelle zeigt die Entwicklung der potentiellen Temperatur (in Kelvin) in den Radiosondenaufstiegen von Mailand und München am 17.11.2009, 00 UTC und 12 UTC,
die repräsentativ für die Alpensüd- und nordseite sind. Udine und Payerne zeigen ganz ähnliche Werte.

Druckniveau Mailand 00z Mailand 12z München 00z München 12z
850 hPa 292,6 292,4 296,2 298,9
800 hPa (interpoliert) 293 293 297 299
700 hPa 306,2 303,0 301,7 301,0

Aus den Werten lässt sich die ableiten, dass es auf der Alpensüdseite in 700 hPa Höhe potentiell wärmer als auf der Alpennordseite war, was auch zu den synoptischen Bedingungen korreliert.
Die für die Föhnschicht notwendige potentiell kältere Luftmasse ist dafür sowohl in 800 hPa als auch in 850 hPa zu beiden Zeitpunkten gegeben, wobei sich der Temperaturunterschied in der Mittagszeit noch vergrößert hat.

Nach Mayr und Armi (2008) bestimmt die Dicke der Schicht mit niedrigerer potentieller Temperatur stromaufwärts auch die Dicke der Föhnschicht. Sie reichte hier demnach von ca. 800 hPa (ca. 2000m) abwärts, was auch mit der Untergrenze der Wolken/Hochnebelschicht im Wipptal übereinstimmt.

Ohne Kenntnis der lokalen Stationsdaten (s. 4.4) kann man aus den festgestellten Druck- und (potentielle) Temperaturdaten ableiten, dass es sich im Wipptal um einen seichten Föhn gehandelt hat, wobei die Obergrenze der Föhnschicht durch den Hochnebel gekennzeichnet wurde.

Wie schaut es mit den Extremtemperaturen im Allgäu aus?

Zwar suggerieren die Temperaturwerte der Zugspitze eine hochreichende Durchmischung bis 3000m, jedoch spricht der starke Westwind, am Nachmittag sogar Nordwestwind, dagegen. Am Patscherkofel wehte nur von 07-11 UTC schwacher Südostwind, von 12-17 UTC Nordwestwind mit Temperaturanstieg und stetigen Temperaturschwankungen. Es ist daher unwahrscheinlich, dass die Luft im Allgäu aus einem viel höheren Niveau als die Mindelheimer Hütte (2013m) stammte.

Weiters betrug die Temperatur am Feldberg (1496m) im Südschwarzwald zum Zeitpunkt des Temperaturmaximums +11°C. Der Feldberg ist weit genug vom Alpennordrand entfernt, kann somit als repräsentativ für die synoptisch-skalig advehierte Warmluft in 850 hPa gesehen werden. Die Stationsdaten korrelieren zu den Modellanalysen. Ich halte zwei Möglichkeiten für plausibel:

Zur Untermauerung der zwei Möglichkeiten bzw. zum Beleg dafür, dass die hohen 850-hPa-Temperaturen großteils advektionsbedingt sind, habe ich zwei Trajektorienplots mit dem Hysplitmodel berechnet - die Grundlage ist die Vertikalgeschwindigkeit im Modell, berechnet wurden die Trajektorien vom 17.11.2009, 12 UTC für 72h rückwärts, jeweils in den Höhen 500m, 2000m und 3000m über Grund, links für Basel, mittig für München:

Beide Plots zeigen das Ursprungsgebiet der Luftmassen im Bereich der Kanarischen Inseln bzw. Marokko - dies gilt für alle Höhen. Die Trajektorie in 500m über Grund hat in beiden Fällen die Pyrenäen überquert, sodass es sich hier um Absinkluft (Föhnluft) handelt. Dies würde die für die Jahreszeit extrem hohen 850er erklären. Inneralpin gelegene Stationen habe ich aufgrund der unzureichenden Modelltopographie nicht geplottet, entsprechend können lokale Überströmungsprozesse nicht berücksichtigt werden.

Der rechte Plot gilt für Mailand und zeigt exemplarisch, dass die Luftmasse in der Poebene in den tieferen Schichten über drei Tage stationär geblieben ist, während in mittleren Höhen über den Westalpenbogen hinweg ein Luftmassenwechsel erfolgte. Die resultierende Warmluftadvektion hat die Inversionslage in der Poebene weiter verstärkt und somit klassische Bedingungen für seichten Föhn geschaffen: unbewegliche Kaltluft auf der Alpensüdseite und seichte Warmluftadvektion auf der Alpennordseite.

4.4 Radiosondenaufstiege

Der Radiosondenaufstieg von Innsbruck ist von der Interpretation her nicht trivial, da eine klassische gut durchmischte Föhnschicht fehlt.

Es ist eine Bodeninversion zu erkennen, die durch Bodennebel gekennzeichnet ist, oberhalb ca. 1000m (Wipptalniveau) nimmt die Temperatur leicht ab, ehe ab 1800m wieder eine kleine Inversion folgt. Dies entspricht der Dicke der Föhnschicht.

Dass diese Schicht weder adiabatisch durchmischt noch sehr trocken ist, liegt an der sehr feuchten stromaufwärtigen Luftmasse. Zum Zeitpunkt des Radiosondenaufstiegs wiesen sowohl die Südtiroler Talstationen als auch der Brenner geringe Taupunktsdifferenzen von unter 2K auf.

Oberhalb der Föhnschicht blies ein schwacher Westwind, der erst in der freien Atmosphäre an Intensität zunahm.

Im Mittagsaufstieg von Mailand herrscht am Boden Windstille, die Kaltluft kann sich lediglich in den untersten Hektometern leicht erwärmen, eine gut durchmischte Schicht befindet sich zwischen 1500m und 2300m, womöglich durch die französischen Seealpen erzeugt, während die EML zwischen 2300m und ca. 3500m von der großräumig advehierten EML herrührte.

Oberhalb der markanten Absinkinversion der advehierten EML, die zugleich die Obergrenze des Hochnebels darstellt, weht starker West, später Südwestwind und die Luft ist sehr trocken, in 550 hPa wird ein Taupunkt von -50°C bei -7°C Lufttemperatur erreicht.

Der Mittagsaufstieg von München ist der spektakulärste Aufstieg dieser Reihe. Bodennah hat sich eine geringe Inversion ausgeprägt, darüber herrschen trockene und gut durchmischte Verhältnisse mit starkem Südwest- bis Westwind. Die Absinkinversion beginnt in 600 hPa.

Die trockenadiabatische Schicht lässt sich in einen unteren Teil mit abnehmendem Taupunkt von 640m bis 1500m und einen oberen Teil mit entlang des Sättigungsmischungsverhältnis abnehmenden Taupunkt aufteilen, der von 1500m bis 3100m reicht.

Eine "gut durchmischte" Schicht tritt folglich erst oberhalb von 1500m auf, die aufgrund der starken Westkomponente nicht auf Föhn zurückgeführt werden kann. Sie entwickelt sich schon um Mitternacht (nicht gezeigt) und verbreitert sich bis zum Mittagsaufstieg. Davor ist diese Schicht nicht vorhanden. Nach den Rückwärtstrajektorien für 2000m AGL (= 2500m MSL) befand sich die Luft aus dieser Schicht um Mitternacht noch östlich von Bordeaux, wo im 00z-Aufstieg eine gut durchmischte Schicht zwischen 700m und ca. 2200m präsent ist. Wie aus der Höhenverteilung der Trajektorien für München ersichtlich, wurde diese 2000m-Trajektorie bis zum Mittag gehoben.

Ich schließe aus diesem Zusammenhang, dass die gut durchmischte Schicht oberhalb 1500m durch den starken Westwind advehiert wurde und es sich somit um eine entkoppelte durchmischte Schicht (elevated mixed layer, EML) handelt. Der Föhneinfluss beschränkt sich auf die Schicht darunter mit stark abnehmenden Taupunkt. Ohne Föhneinfluss hätte die EML als Deckel fungiert und die beobachteten Temperaturmaxima wären vermutlich nicht zustande gekommen, da die fortgeschrittene Jahreszeit keine so hochreichende Durchmischung mehr erlaubt hätte. So aber stellte der Föhn das Bindeglied zwischen Boden und EML dar, die Kopplung führte zur Durchmischung bis 700 hPa, ohne Kopplung waren die Höchstwerte viel niedriger, wie etwa im Wipptal und Innsbruck, wo der Föhn zu seicht war bzw. die EML erst oberhalb 2600m ganz schwach ausgeprägt war.

4.5 Stationsdaten für lokale Bedingungen

Lage der Stationen:

Das Wipptal ist durch die gekennzeichneten Stationen recht gut erfasst,
dazu zählen (von Süd nach Nord)
  • Brenner (1373m) - ZAMG
  • Sattelberg (2108m) westlich des Brenner - IMGI
  • Wolfendorn (2777m) östlich des Brenner - IMGI
  • Steinach (1025m) - ZAMG
  • Ellbögen (1080m) - IMGI
  • Patscherkofel (2246m) - ZAMG
  • Rinn (917m) am östlichen Mittelgebirgsplateau - ZAMG
  • Innsbruck-Universität (580m) in Verlängerung zum Wipptalausgang - IMGI
  • Innsbruck-Flughafen (584m) in Innsbruck-West - TAWES

Alle Stationsdaten sind öffentlich über die IMGI-Seite bzw. über die ZAMG oder Austrowetter abrufen.

Sattelberg (2108m)
Charakteristisch für den Sattelberg sind bei Südföhn die üblicherweise sehr geringen Abweichungen der Windrichtungen von 180°, wie es zu Beginn der dargestellten Zeitperiode von 16.11., 00 UTC bis etwa 17 UTC, der Fall ist. In diesem Zeitraum ist der Temperaturverlauf noch recht konstant, nämlich stetig leicht steigend bis stagnierend. Nach 18 UTC wird der Wind deutlich schwächer, die Böigkeit nimmt ab, die Windrichtung schwankt stärker, die Temperatur und relative Feuchte unterliegen erheblichen Schwankungen. Daran ändert sich bis zum Ende des Zeitraums nichts mehr.

Der Sattelberg befand am Oberrand der Föhnschicht, zu keinem Zeitpunkt war Ellbögen mit dem Sattelberg durchmischt. Die Föhnschicht war jedoch vertikal nicht stabil, sondern änderte ihre Obergrenze ständig, was die starken Schwankungen in allen Parametern erklären könnte.

Ellbögen (1080m)
In Ellbögen ist die Situation eindeutiger: der Föhn brach bereits am 16.11., ca. 13 UTC, an der Station durch, damit einhergehend ein Feuchterückgang um 17 % und eine Temperaturzunahme um 3K. Der Wind drehte von Taleinwind auf Talauswind und wehte beständig, gegen Ende zunehmend mit 7-10 m/s im Mittel. Zum Zeitpunkt des Föhndurchbruchs war Ellbögen mit ca. 2000m durchmischt, um Mitternacht noch mit rund 1800m oder etwas weniger. Die Temperatur sank kurz nach Föhndurchbruch beständig ab, da sich die Druckdifferenz von Bozen nach Innsbruck sukzessive abschwächte und die Dicke der Föhnschicht damit abnahm. Der Zeitpunkt des Temperaturminimums in Ellbögen korreliert auch mit der geringsten Druckdifferenz Bozen - Innsbruck.

Innsbruck-Universität (580m)
An der Uni ist der Zeitraum nach 18 UTC von Interesse, als der Wind leicht verstärkt talabwärts wehte. Das gewöhnliche, kaum nennenswerte Ausfließen sieht man am 16.11., vor 8 UTC, nach 18 UTC hingegen bis zu 2 m/s im Mittel und 5 m/s in Böen. Der Taupunkt lag zum Zeitpunkt des Sonnenuntergangs noch bei +8°C bei einer Lufttemperatur von 11,5°C. In der Wetterbesprechung wurde damit gerechnet, dass der vorföhnige Westwind die Bildung von Bodennebel verhindern würde. Zum Zeitpunkt des Bodennebels hatte es jedoch vorübergehend vom vorföhnigen Westwind entkoppelt, die Windgeschwindigkeit sank auf unter 2 m/s in Böen um 06 UTC, dazu korrespondierend das Temperaturminimum von +3,9°C.

Tagsüber strahlte es nach Nebelauflösung stark ein, sodass ein Tagesgang von 11,8K zustandekam. Ab 8 UTC ging der Talauswind in einen stärkeren vorföhnigen Westwind über, bis um 15 UTC, zeitgleich zum Flughafen, der Föhn durchbruch. Während es an der Uni immerhin Böen bis 16 m/s gab, war der Wind am Flughafen deutlich schwächer und von der Windrichtung auch nicht eindeutig Föhn. Das Maximum lag hier mit +15,0°C etwas tiefer als an der Uni (+15,7°C). Am Flughafen hob der Föhn um 16 UTC wieder ab - an der Uni wehte er mit kurzer Unterbrechung um 17 UTC bis 18 UTC durch, und ging anschließend wieder in den vorföhnigen Westwind über.

Der Zeitpunkt des Föhndurchbruchs in Innsbruck korreliert mit der größten Druckdifferenz zwischen Bozen und Innsbruck von etwa 6-7 hPa. Unklar ist hier, ob nicht um 13 UTC schon Föhn herrschte, da hier Innsbruck und Ellbögen durchmischt waren, jedoch passt die Windrichtung hier nicht ganz. Dafür spricht aber der Feuchterückgang um ca. 8 %. Bemerkenswert ist weiters, dass die stärksten Böen auftraten, nachdem die Sonne hinter dichterer Bewölkung verschwunden war.

Im weiteren Verlauf ab 18 UTC sank die Temperatur in Innsbruck stärker als in Ellbögen, wodurch die Föhnströmung wieder entkoppelt wurde.

4.6 Webcams

Im letzten Teil dieser Fallstudie wird anhand der Webcambilder auf die Wolkenphänomene während dem seichten Föhn eingegangen:

Die beiden Webcambilder vom 17.11.2009, 11.00 und 15.00 UTC, zeigen eine über den ganzen Tag hinweg beständige Hochnebelschicht, deren Untergrenze bei rund 1800m und die Obergrenze bei rund 2200m lag. Sie ähnelt vom Aussehen her der berüchtigten Malojaschlange, die entsteht, wenn die potentiell kältere (und feuchtere) Luft aus dem Bergelltal über den Malojapass ins Oberengadin strömt, und dabei zum Aufsteigen und Kondensation gezwungen wird.

Die Verhältnisse vom 17.11. zeigen eine gewisse Ähnlichkeit zur Malojaschlange, da feuchtkühle Luft über den Brennerpass ins untere Wipptal strömt. In Passnähe bleibt der überschwappende Hochnebel noch erhalten, weiter stromabwärts löst er sich aufgrund der trockenadiabatischen Erwärmung auf.

Die folgenden Webcambilder stammen von den Morgenstunden, als das Wellenphänomen auftrat:

Um 6.40 MEZ befindet sich der Bodennebel schon im Auflösungsstadium - der Flughafen weiter talaufwärts meldete in der zweiten Nachthälfte durchgehend Nebel oder Nebelschwaden.

Um 6.50 MEZ sind deutliche Wellenstrukturen im Nebel zu sehen, die Achse normal zu den Nebelbändern ist nach Südwesten ausgerichtet, was der abgelenkten Föhnströmung aus dem Wipptal entspricht. Weiters ist eine periodische Anordnung der Wellentäler und -berge ersichtlich, d.h. eine konstante Phase.

Auch um 7.00 MEZ sind die Wellenformen noch vorhanden, vorübergehend hat sich der Nebel nochmals nach Süden und Westen ausgedehnt.

Zeitgleich vom Patscherkofelhaus aus reicht der Nebel von der Höttinger Au bis in den Osten Innsbrucks.

Um 7.10 MEZ sind die Wellenstrukturen verschwunden, der Nebel gelangt ins Auflöungsstadium.

Ein heißer Kandidat für die Ausbildung dieser Wellen- und Wogenbänke sind naturgemäß Schwerewellen. Für Kelvin-Helmholtz-Wellen sprechen zwei Faktoren:

Ein Wellenbrechen wie im Beispielbild in Kapitel 3 konnte aufgrund der Draufsicht-Perspektive nicht beobachtet werden, war aber nicht ausgeschlossen.

Ebenfalls für Kelvin-Helmholtz-Wellen sprechen medizinmeteorologische Untersuchungen von de Rudder (1948) und Richner (1983). Rudder stellte fest, dass die Föhnwetterfühligkeit in Innsbruck am Ausgeprägtesten ist, und sowohl mit der Höhe als auch talauf- und talabwärts abnimmt. Generell scheinen die Leute weniger anfällig für wetterbedingte Schmerzen, wenn der Föhn bereits bereits durchgegriffen hat, und am Anfälligsten, wenn der Föhn kurz vor dem Durchbruch steht, d.h. am Boden noch eine dünne Kaltluftschicht aufliegt. Das kann ich aus eigener Erfahrung bestätigen. Am 14.11.2009 hatte ich unmittelbar vor dem Föhndurchbruch einen Migräneanfall, der mit dem durchgreifenden Föhn wortwörtlich weggeblasen wurde.

Rudder argumentiert, dass bei bodennaher Kaltluftströmung und darüber gleitender Südföhnströmung ein starker Windsprung an der Diskontinuität zwischen dichterem und dünneren Medium entsteht, was die Bildung von Kelvin-Helmholtz-Wellen anregt. Je stärker die vertikale Windscherung, desto intensiver die Schwerewellenbildung ( = starke Abnahme des Scorer-Parameters mit der Höhe). Diese führen zu einem Auf- und Abschwappen der Warm- bzw. Kaltluft und folglich zu periodischen Druckschwankungen. Wetterfühlige Menschen spüren diese Druckschwankungen.

Richner hat dazu 1982 bzw. 1983 statistische Untersuchungen mit wetterfühligen Personen durchgeführt, die Rudders These bestätigen. Frauen sind übrigens dafür anfälliger als Männer.

Warum aber nimmt beispielsweise in Zirl oder in Hall die Wetterfühligkeit ab, obwohl es auch dort zu Föhn (später) kommt? Rudder begründet dies damit, dass es nach Westen bzw. Osten hin kein Quertal gibt, wo eine starke Südföhnströmung über den Kaltluftstrom streichen könnte. Die Höhenströmung ist dort also viel schwächer und entsprechend auch die Druckschwankungen geringer ausgeprägt.

Die obigen Ausführungen untermauern die Plausibilität von Kelvin-Helmholtz-Wellen im vorliegenden Fall vom 17.11.2009, eine Bestätigung können sie mangels exakter Beobachtungen jedoch nicht liefern.

5. Zusammenfassung

Die Föhnlage am 17.11.2009 offenbart Elemente klassischer seichter Föhnlagen, zeigt aber auch sommerliche Eigenschaften der Großwetterlage mit für die Jahreszeit ungewöhnlich hohen 850 hPa-Temperaturen, die nicht durch Absinken, sondern durch Advektion entstanden sind. Für die intensive Warmluftadvektion war ein bis zu den Kanarischen Inseln reichender Trog verantwortlich, der maritime Subtropikluft über Westeuropa bis Mitteleuropa schaufelte.

Beim Überqueren der Pyrenäen erwärmte sich die Luftmasse weiter und gelangte mit 850 hPa- Temperaturen von 14-16°C in den Nordalpenraum. In der Poebene lagerte gleichzeitig unbewegliche Kaltluft, sodass ein alpenüberquerendes Druckgefälle resultierte. Durch den synoptischen Westwind blieb die Föhnströmung entkoppelt und damit seicht. Während das Wipptal und Innsbruck aufgrund der niedrigen Brennersenke potentiell kältere Luft aus Südtirol bezog, kam nördlich und westlich des Inntals ein weiteres sommerliches Element hinzu - eine entkoppelte, durchmischte Schicht. Der Föhn koppelte an diese Schicht und erzeugte dadurch eine bis Zugspitzniveau reichende Durchmischung mit entsprechenden Höchstwerten über 20°C in den alpenrandnahen Gebieten.

Die Föhnströmung wurde durch beständigen Hochnebel auf der Alpensüdseite forciert, der den Luftdruck dort konstant hielt, während alpennordseitig durch Warmluftadvektion und Einstrahlung ein Druckfall induziert wurde. Mit dem verbreitet durchgreifenden Südföhn hielt sich die Druckdifferenz selbst aufrecht. Beim Überschwappen der Hochnebelluft am Brennerpass bildete sich ein der Malojaschlange ähnliches Wolkenphänomen aus. Die Hochnebeldecke markierte dabei die Obergrenze der Föhnströmung.

Im Inntal war der vorföhnige Westwind aufgrund der seichten und kühlen Föhnströmung nur schwach ausgeprägt, zu Sonnenaufgang brach der Wind gänzlich ein, sodass sich eine dichte Bodennebelschicht ausbildete. In dieser konnten sich über einen Zeitraum von 20-30 Minuten ausgeprägte Wellenstrukturen entwickeln, die möglicherweise auf Kelvin-Helmholtz-Wellen zurückführbar sind.

6. Quellen:

a) Karten, Webcams, Diagramme, etc...

b) Literatur

© Felix Welzenbach