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Der Innsbrucker Gewittersturm vom 21.Juli 2003

Geschrieben von: Org: Friedrich Föst, 27.08.2003
Datum: 3. September 2003, 06:00 Uhr


"Das Brechen der Bäume, das Bersten der Stämme, das Scheppern von umherfliegenden Trümmern. Diese Geräusche gingen durch Mark und Bein. Ich hatte die Bilder aus Berlin nach dem 10.07.02 vor Augen, diese flächendeckende Zerstörung..."

(Zitat aus Erlebnisbericht)

Der Gewittersturm, der am 21.07.2003 kurz nach 12 UTC Innsbruck erreichte, zählt zu den stärksten, die Tirol jemals heimgesucht hat. Besonders betroffen waren die westlichen Stadtteile Innsbrucks, das untere Sellraintal, das Pitztal und das Oberland zwischen Landeck und Imst mit schweren Sturmschäden. Die Orkanböen, die das Gewitter begleiteten, haben eine komplexe und vielfältige Entstehungsursache, an der viele Faktoren mitgewirkt haben und die hier näher erläutert werden sollen:

Die 500 hPa-Analyse von ECMW zeigt einen ausgeprägten Langwellentrog über den Britischen Inseln, an dessen Südwestflanke ein Cut-Off bis vor die Küste der Iberischen Halbinsel ausgetropft ist. Dies spaltet die Frontalzone in zwei Äste: Der nördlichere Ast verläuft südlich von Irland bis über den Ärmelkanal, der südlichere nimmt Kurs über die Iberische Halbinsel bis nach Frankreich, wo sich beide Äste wieder vereinigen. Gleichzeitig setzt auf der Vorderseite des Troges Warmluftadvektion ein, die einen Keil über weiten Teilen Süd- und Osteuropas stützt. Auffällig ist ein im Langwellentrog integrierter Kurzwellentrog, dessen Achse über Südwestdeutschland bis nach Westösterreich verläuft. Auf der Vorderseite dieses Troges können nun durch PVA Hebungsprozesse wirksam werden.

Österreich befindet sich im Zustrom subtropischer Luftmassen, die durch ihren langen Weg über Südwesteuropa kontinental und somit trocken ausgeprägt sind. Auf dem Atlantik hält sich maritime Polarluft bereit, so dass sich ein starker Temperaturgradient aufbauen kann, der besonders über Spanien signifikant ist und bis in den Nordosten Deutschlands reicht.

Im Bodenniveau wird der Grenzverlauf der Luftmassen deutlich. Die Mittagsanalyse der Berliner Wetterkarte zeigt ein auf der Vorderseite des Kurzwellentroges induziertes Tiefdrucksystem, dessen Kaltfront sich vom Erzgebirge südwärts an den Alpenbogen anschmiegt. Diese Front trennt Luftmassen mit einer Differenz von bis zu 15K und steht zu diesem Zeitpunkt unmittelbar vor den Toren Innsbrucks.

Wir verkleinern den Scale und schauen uns die vertikale Schichtung der Atmosphäre im Inntal an. Obwohl der 3 UTC-Aufstieg nicht die wahren Verhältnisse von 12 UTC repräsentieren kann, liefert er doch näherungsweise wertvolle Information hinsichtlich des konvektiven setups.

Der Temp von 3 UTC (12 UTC-Termin gibt es leider nicht) zeigt die typische morgendliche Bodeninversion, darüber eine trockenadiabatische Schicht, die von der Durchmischung des Vortages übriggeblieben ist und bis in eine Höhe von 700 hPa reicht. Die Grundschicht ist trocken; die vom Temp angezeigte bodennahe Feuchte ist "knietief" und wird bei Tagesbeginn weggeheizt. Bei einem mittleren Taupunkt in den untersten 100 hPa von 11 Grad schneidet die Isolinie des Sättigungsmischungsverhältnisses die Umgebungskurve bei ca. 670 hPa, das CCL und LFC ist erreicht, so dass die Tops theoretische Höhen bis etwa 220 hPa erreichen. Die Auslösetemperatur läge bei voller Durchmischung von 670 hPa gerechnet bei 34 bis 35°C. Tatsächlich erreichte Innsbruck eine Tmax von 31.7°C. Rein thermische Auslösung wäre daher auszuschließen.
Bei der Betrachtung eines Luftpaketes ab 850 hPa fällt auf (u.a. auch die kontinentale Subtropikluft bei 20°C und geringer Feuchte), daß thermische Auslösung trotz geringeren Sättigungsmischungsverhältnisses möglich wäre. Hier läge das LFC bei ca. 620 hPa mit kaum niedrigeren Tops als vom Boden ausgelöste Zellen. Die örtliche Orographie erlaubt es in Einklang mit dem Talwindsystem (s.u.), daß Luftpakete dynamisch auf dieses Niveau gezwungen werden. Elevated convection ist bei diesen Bedingungen zwangsläufig unausweichlich.
CAPE ist also gegeben, das auch freigesetzt werden kann durch das Forcing der Trogachse und, für unseren Fall viel bedeutender, durch Auslösung durch den Talwind.
Der Windverlauf zeigt zwar Geschwindigkeitsscherung (immerhin 25kn in 500 hPa) und Richtungsscherung, ist aber in unserem Fall hinsichtlich des Setups für severe convection nicht allzu bedeutungsvoll, da die Helicity im Inntal kaum wirksame Ergebnisse liefert. Unsere Konzentration gilt der trockenen Grundschicht mit der darüber lagernden feuchten Schicht, was im Hinblick auf downbursts förderlich ist.

Im Allgemeinen sind die Bedingungen für severe convection in Teilen Südwesteuropas sehr gut. Ausreichend Labilität, Forcing und vor allem die Scherung sind ausschlaggebende Faktoren für heftige konvektive Ereignisse. Der Showalter-Index zeigt mögliche starke konvektive Vorgänge in Ostfrankreich und Spanien, sowie in der Ostschweiz. Aus dem oben analysierten Setup ist der Showalter-Index eine sinnvolle Ergänzung:

Beginnend mit dem 10 UTC IR-Satbild wird jetzt auf die Entwicklung in Tirol eingegangen. Über Mitteldeutschland liegt ein gealteter MCS, der am Vortag über Frankreich sein Unwesen trieb und mit der nordöstlichen Höhenströmung nach Deutschland zog. Indes haben sich über Frankreich kleinräumig neue Zellen entwickelt. Das Hauptaugenmerk sollte aber auf die Zelle über der Ostschweiz gerichtet werden, die sich erst vor kurzem entwickelt hat.

Eine Stunde später ist die Zelle bereits in Vorarlberg angekommen mit weit nach Norden reichendem Amboss.

Zeitgleich dazu das Radarbild. Zur Orientierung: Auf der linken Seite oben ist der Bodensee eingezeichnet, "DM" steht für München und der schwarze Punkt in der Mitte ist Innsbruck.
Es ist zu erkennen, dass es sich nicht um eine Zelle, sondern um einen squall-line-artigen Komplex handelt.

Das Talwindsystem funktioniert zu diesem Zeitpunkt einwandfrei (s.u.). Von Kufstein kommend wird die Luft Richtung squall-line transportiert. Die Folge ist eine starke Konvergenz und Zellenwachstum. Die Reflektivitäten liegen jenseits von 55 dBz, ein Anzeichen für Hagelschlag. Im Vertikalscan erreichen die Tops eine Höhe von rund 13km. Zu diesem Zeitpunkt werden schwere Sturmböen (Landeck 100km/h) und Sturmschäden (Imst, Arzl/Pitztal s.u.) von der südlicheren Zelle gemeldet.
Auch vorlaufend tut sich was. Südwestlich von Innsbruck gibt es erste Überentwicklungen in den Stubaier Alpen zwischen Ötztal und Sellraintal.

Im Sellraintal hat sich ein harmloser Congestus (von Innsbruck aus gut sichtbar) binnen 10 Minuten explosionsartig zu einem Cb gemausert, der bereits Reflektivitäten jenseits von 55 dBz aufweist!

Weitere 10 Minuten später scheint sich eine neue vorlaufende Linie zu bilden, denn auch im Inntal schießt eine Zelle hinauf. Der Cb über dem Sellraintal hat sich nochmals enorm verstärkt, seine Position aber nur geringfügig verändert. Die squall-line ist indes weiter nach Osten vorangekommen mit fast unveränderter Intensität.

Das Satellitenbild kurz vor den Orkanböen. Der Cluster ist nach Ost-Nordost vorangekommen, mit einem Anbau an der Südostseite-die Zelle im Sellraintal.

Die alte squall-line hat binnen 10 Minuten erheblich an Stärke verloren. Die neuformierte Linie reicht vom bayerischen Alpenvorland bis ins Sellraintal. Die vorlaufenden Zellen haben die energiereiche Luft aus dem Inntal für ihr Wachstum aufgesaugt, die alten Zellen laufen in die vom outflow der neuen Linie produzierte Kaltluft und fallen zusammen. Die Südkante der Sellrainzelle ist beeindruckend, die rote Spitze an ihrem Ende deutet auf massiven Hagelschlag hin. Zudem beginnt die Zelle nun ins Inntal zu marschieren.

Der Zeitpunkt, wo die Orkanböen über Innsbruck hereinbrachen. Die Zelle hat es nun eilig, sie ist in den letzten 10 Minuten zügig nordostwärts gekommen. Begleitet von Hagel und peitschendem Regen zieht die Sellrainzelle über Innsbruck.

Die Reflektivitäten sind unverändert eindrucksvoll. Die Zelle zieht mit unverminderter Kraft weiter nach Osten. Die nördlichen Zellen sind stärker als es die Reflektivitäten vermuten lassen. Das Patscherkofelradar (der kleine Punkt südöstlich von Innsbruck) kann nur schwer durch die Zelle "hindurchsehen". In der weiteren Folge werden diese Zellen wieder an Reflektivität zunehmen.

Wie schon oben angesprochen, haben viele Faktoren zu dem Gewittersturm beigetragen. Neben dem thermodynamischen Setup war es zum einen die geringe Feuchte in der Grundschicht, die durch Verdunstungskälte einen massiven cold pool in der Zelle erzeugt hat und zum anderen war das Talwindsystem der maßgebliche Faktor zur explosionsartigen Entwicklung der Zelle. Ein Schema nach Defant soll dies verdeutlichen.

Mit beginnender Sonneneinstrahlung erwärmen sich zuerst die Hänge, später dann das obere Tal. Die Luft steigt auf und der Talwind setzt ein. Über der Talsohle werden Absinkprozesse wirksam, die eine kompensatorische Zirkulation einleiten, bei der die Wärmebilanz am Hang der Talatmosphäre zugeführt wird. Der Talwind hat die Luft im Sellraintal dynamisch zum Aufstieg gezwungen, hinzu kommt, wie auch in der Abbildung sichtbar wird, eine Konvergenz durch das sich nach hinten verengende Tal, was zu einer zusätzlichen Hebungskomponente führt. Ferner ist eine starke Konvergenz zwischen der outflow-boundary der sqall-line und dem Talwindregime denkbar, die als wesentlich Ursache für das rasche Wachstum mitangesehen werden darf.
Der cold pool der Zelle stürzte wie ein Schwall Wasser das Sellraintal hinunter. Die von den Berghängen herabfließende Kaltluft aus der Zelle konvergiert mit der Luft in der Talsohle, was zusätzlich zum Gefälle einen weiteren Impuls beschert. Am breiten Talausgang herrscht Diffluenz, die Windgeschwindigkeit nimmt ab; verengt sich jedoch das Tal, kommt es zu einer konfluenten Strömung (s. untere Karten).

Neben der Orographie, die sowohl für das Zellenwachstum als auch für die Böen hauptverantwortlich zeichnet, kam ein weiterer, selbstverstärkender Prozeß hinzu. Die Vera 12 UTC-Analyse von Druck- und Äquivalentpotentieller Temperatur zeigt einen starken Druckgradienten entlang des Inntals von 6 hPa. Tatsächlich betrug dieser Gradient allein zwischen Landeck und Innsbruck 12 hPa (s.u.)! Im Bereich des postfrontalen Subsidenzgebietes hat sich die Kaltluft im Oberland gesammelt. Die Differenz entlang der Temperaturflächen beträgt zwischen Ober- und Unterinntal 15K. Die Folge ist eine starke Baroklinie, in dessen stärkstem Gradienten Innsbruck platziert ist.

Der zeitliche Druckverlauf im Inntal zeigt eindrucksvoll den Durchgang der Gewitterlinie. Um 10 UTC funktioniert das Talwindsystem im Inntal einwandfrei. Kufstein misst einen höheren Druck als Innsbruck, der niedrigste Druck wird in Landeck registriert. Die Luft strömt das Inntal hinauf. Nach Durchgang der squall-line in Landeck um 11 UTC steigt hier der Druck binnen einer Stunde um fast 13 hPa. Die Folge ist eine starke Konvergenz zwischen der outflow-boundary und dem noch vorherrschenden Talwindregime zwischen Innsbruck und Kufstein. Die Druckdifferenz zwischen Landeck und Innsbruck ist beeindruckend. 12 hPa auf 67km! Um kurz nach 12 UTC wird Innsbruck von der Gewitterlinie überollt, was mit einem Druckanstieg von 8 hPa binnen einer Stunde verbunden ist. Obwohl der Druckgradient nun schon an Stärke verliert, ist er mit 6 hPa zwischen Innsbruck und Kufstein immer noch so stark, um kräftige Winde zu fördern. Um 14 UTC ist das gesamte Inntal mit Kaltluft angefüllt, die durch Sonneneinstrahlung im Oberland bereits wieder erwärmt wird, was zum fallenden Druck in Landeck führt.
Um 17 UTC übernimmt dann das Bergwindregime mit Ausfließen aus dem Inntal die Regie.

Dass hauptsächlich Innsbruck und das untere Sellraintal von den Orkanböen getroffen wurden, liegt an der speziellen Orographie, auf die hier nun eingegangen werden soll.

Es sei kurz auf Bernoulli verwiesen (im Vortrag gibt es dazu noch gründlichere Ausführungen). Wie zu erkennen ist, drängen sich die Stromlinien an einer Engstelle zusammen, das Fluid erfährt hier eine erhebliche Beschleunigung und damit in der Engstelle seine höchste Geschwindigkeit, die im diffluenten Bereich hinter der Engstelle wieder abnimmt. Die oben gezeigte Orographie westlich von Innsbruck ist geradezu ideal für diesen Kanalisierungs-Effekt.(Abbildung nach Oke)

Die Isohypsen-Karte zeigt einen Ausschnitt zwischen Innsbruck und Zirl mit dem im Südwesten einmündenden Sellraintal. Während das Inntal nur flach nach Westen ansteigt (man beachte die 600m-Isohypse), weist das Sellraintal eine erheblich steilere Steigung auf. Es wird besonders oberhalb von Sellrain von hohen, steil aufragenden Bergen flankiert, zwischen denen beim Herunterströmen eines Fluids Konfluenz dominieren würde. Zwischen Zirl, Kematen und dem Delta des Sellraintals ist eine breite Fläche, auf der eher Diffluenz herrschen würde. Interessant wird es dann östlich von Kematen. Dort grenzt im Südosten das Mittelgebirge (700m-, 800m-Isohypse) an, während sich im Norden die Martinswand ins Inntal schiebt (der starke bunte Gradient). Die steilen Südabstürze des Hechenberges zwischen Martinswand und Kranebitten und das sich ins Inntal schiebende Mittelgebirge bilden westlich des Flughafens einen Trichter, der perfekt den Kanalisierungs-Effekt nach Bernoulli wiederspiegelt. Die stärksten Böen würde man also im Sellraintal und zwischen Kranebitten und Flughafen erwarten.

Das Ergebnis des o.a. Sachverhaltes spiegelt sich nun auf der Karte der Windvektoren wieder. Im Gegensatz zu der Isohypsenkarte ist hier der relative Verlauf des Inn- und Sellraintales wiedergegeben. Der Trichter zwischen Kematen und Flughafen ist gut zu erkennen.
Die Karte basiert auf Winddaten der umliegenden Stationen und aus den recherchierten Schäden.
Anhand der Richtung und des Betrages der Vektoren läßt sich die Rolle der Orographie nachvollziehen. Im diffluenten Bereich des Sellraintales nimmt die Windgeschwindigkeit vorübergehend deutlich an Stärke ab (von >140km/h auf rund 100km/h). Westlich des Flughafens überwiegt Konfluenz ; der Wind nimmt an Stärke zu und erreicht an der engsten Stelle zwischen Kranebitten und dem Mittelgebirge sein Maximum (>140km/h).

Deutlicher wird das Strömungsmuster bei der Betrachtung des Sturmfeldes.
Als würde man einen Wasserhahn im Sellraintal aufdrehen und das Wasser auf seinen Weg beobachten, so kann man dies anhand der Karte verifizieren. Der von der Sellrainzelle produzierte Downburst "stürzte" das Sellrain hinunter und wurde oberhalb von Sellrain kanalisiert. Zusätzlich ist dort eine Linksbiegung des Tales (nicht mehr im Bild), so dass die Kaltluft auf den östlichen Berghang prallte. Nahezu 50% des Bergwaldes fielen den Orkanböen dort zum Opfer (s. Schadensbericht und -bilder). Da es sich dort um einen Lawinenhang handelt, der im letzten Winter reichlich gelitten hat, ist die Schutzfunktion dort nicht mehr gegeben. Im weiteren Verlauf des Sellraintals nahm die Windgeschwindigkeit aufgrund der Diffluenz im Delta ab, wobei die Maxima immer noch in dem leicht nach links gekrümmten Tal am Berghang liegen. Aber auch in der breiten Talsohle werden noch beachtliche Windgeschwindigkeiten gemessen (Kematen 107km/h).
Die Luft strömt aus dem Sellraintal mit dem Outflow aus dem Oberland im Inntal zusammen. Der Impuls aus dem Sellraintal ist so stark, dass die Luft vor die Südhänge des Hechenbergs strömt, nach rechts abgelenkt und durch den Bernoulli-Effekt beschleunigt werden. Die Kanalisierung leistet vor Kranebitten ganze Arbeit. Die Luft fegt über den reibungsarmen Inn, der vor Kranebitten der Orographie folgend nach Südosten abbiegt. Die Böen treffen auf die Innaue und richten dort schwere Schäden an. Auf der leichten Anhöhe in Kranebitten werden die Strömungslinien zusammengedrängt, der Wind erhält nochmals einen Impuls. In Kranebitten werden verbreitet schwere Sturmschäden registriert.
Ein Blick in die Talsohle verrät, wie sich dort das Channeling zwischen Kranebitten und Mittelgebirge ausgewirkt hat. Das Maximum wurde am Flughafen gemessen, wo die parallel zum Tal verlaufenden Gebäude zusätzlich kanalisierten. Während am östlichen Teil der Landebahn 138km/h gemessen wurden, registrierte der Windmesser auf dem Tower 179km/h. Dieser Wert stammt allerdings aus 30m Höhe. Trotzdem darf angenommen werden, dass die Windgeschwindigkeit zum Gebäude hin exponentiell zugenommen haben muss, denn das Schadensbild mit mehreren umgeworfenen Flugzeugen ist ein Indiz dafür. Obwohl die 179km/h-Böe mit einiger Messungenauigkeit verbunden ist, spiegelt sie doch in guter Annäherung den Bernoulli-Effekt am Flughafen wieder.
Der Wind folgte der Orographie mit einer leichten südöstlichen Komponente, was sich auch am Schadensbild ausmachen läßt. So traf er südöstlich vom Flughafen auf den Wiltenberg, wo erneut schwere Schäden am Bergwald beobachtet werden konnten. Im sich nach Osten verbreiternden Inntal nahm der Channeling-Effekt wieder ab. So wurden in Kufstein "nur noch" 80km/h gemessen.

In vielen Teilen Tirols traten Sturmschäden auf, die schwersten aber im Sellraintal und in den westlichen Teilen Innsbrucks. Sie sind ein Indiz dafür, dass durch Talwindsystem und Kanalisierung "severe convection"-Ereignisse möglich sind, die auch in Zukunft jederzeit mit ungeahnter Wucht auftreten können.

Wir bedanken uns herzlich bei Andi Lanzinger von der Austrocontrol und Manfred Bauer von der ZAMG am Flughafen Innsbruck für die Bereitstellung der Rohdaten. Ein herzlicher Dank gilt auch Herbert Pümpel von der Austrocontrol für die fachlichen Diskussionen.

Georg Haas, Friedrich Föst

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