[ Zurück zum Index ]

Wie wertvoll ist CAPE ? - Exkurs

Geschrieben von: Felix Welzenbach
Datum: 16. Juni 2006, 10:41 Uhr


1. Was ist CAPE ?

CAPE ist die Abkürzung für convective available potential energy, übersetzt konvektiv verfügbare potentielle Energie und daraus sollte schon ersichtlich sein, dass CAPE alleine (!) nicht für konvektive Niederschlagsbildung ausreicht. Die potentielle Energie kann nämlich erst freigesetzt werden, wenn genügend Feuchtigkeit und Hebung vorhanden sind.

2. Wie wird CAPE berechnet?

CAPE = Σ [g* (Θp - Θe) / Θe] * Δz ; Δz = zel - zlcl

Dabei ist...

  • Σ: die Summe oder das Integral über die folgende Fläche
  • g : die Schwerebeschleunigung mit dem Wert 9,81 m/s ²
  • Θp: die potentielle Temperatur
  • Θe: die äquipotentielle Temperatur
  • zel: die Höhe desjenigen Niveaus, wo kein weiterer Aufstieg eines Luftpaketes möglich ist, auch Gleichgewichtsniveau (engl. Equilibrium Level) genannt, im Radiosondenaufstieg der obere Schnittpunkt der Hebungskurve mit der Temperaturkurve
  • zlcl: die Höhe des Kondensationsniveaus, welches durch erzwungene Hebung erreicht wurde, engl. Lifted Condensation Level, im Radiosondenaufstieg der Beginn der Hebungskurve auf der Temperaturkurve
  • Δz : Die Höhendifferenz der letztgenannten Schnittpunkte

Im Radiosondenaufstieg bestimmt man die Labilität einer Luftmasse durch die Lage der Feuchtadiabaten ab dem Kondensationsniveau. Feuchtadiabate Temperaturabnahmen (0,6 bis 0,8K /100m) mit der Höhe werden dann als Hebungskurve bezeichnet, wenn diese rechts der Temperaturkurve liegt. Folglich ist das Luftpaket wärmer als die Umgebungsluft und kann weiter aufsteigen. Die Fläche,die dabei von Hebungskurve und Temperaturkurve eingeschlossen wird, ist die Labilitätsfläche bzw. die CAPE-Fläche. Sie besitzt die Einheit J/kg oder m²/s² (1 J = 1 Nm = 1 kg m-2 s-2 ).

3. Welche Arten von CAPE gibt es ?

1. SB-CAPE - der surface-based-CAPE ist derjenige CAPE, der sich vom einstrahlungsbedingt ereichtem Kondensationsniveau (CCL) errechnen lässt. Inwiefern der SB-CAPE für den Aufwind zur Verfügung steht, hängt davon ab, ob die Auslösetemperatur erreicht werden kann, demzufolge also von der Ausprägung von Inversionen im unteren und mittleren Niveau.

2. MU-CAPE - der Most-Unstable-CAPE errechnet sich als derjenige CAPE, der zur Verfügung steht, wenn das instabilste Luftpaket (mit der höchsten äquipotentiellen Temperatur ) der untersten 300hPa gehoben wird, also den größtmöglichen CAPE-Wert erreicht.

Auch bei niedrigen MU-CAPE können sich Tornados ereignen, falls die Windscherung gleichzeitig sehr groß ist. Bei MU-CAPE unterhalb 3km und gleichzeitig niedrigen LFCs ist die Wahrscheinlichkeit schwacher und vermutlich nichtmesozyklonaler Tornados begünstigt (Quelle) .

3. ML-CAPE - der Mixed/Mean-Layer-CAPE ist der CAPE einer durchmischten Schicht. Man verwendet hierbei die mittleren Temperatur- und Taupunktswerte der unteren 100hPa als Ausgangswert für die Hebungskurve ab dem LFC, bisweilen auch die der untersten 30 oder 50hPa. MLCAPE spielt eine wichtige Rolle hinsichtlich der Beurteilung von elevated convection und man mittelt störende Grundschichtinversionen zudem heraus. Die CAPE-Angaben bei den Wyoming-Soundings sind ML-CAPE bzw. ML-CIN, gemittelt aus den untersten 500m. Bei den GFS-Karten aus den untersten 180hPa.

(4. DCAPE) - seltener gebräuchlich ist der Downdraft-CAPE, der die Stärke des Abwinds beschreibt und bei trockener , konvektiver Grenzschicht (im Jargon auch Grundschicht genannt) von Bedeutung ist. Der ungefähre Wert des DCAPEs lässt sich aber bereits aus einem Sounding oder Modellkarten abschätzen. In meinen Augen ist es eher unsinnig, sich hier in bestimmte Werte zu verrennen.

4. Was lässt sich alles aus dem CAPE ablesen ?

Wie bereits eingangs erwähnt - und das möchte ich hier besonders klarstellen - sind CAPE-Karten alleine unsinnig, da die Labilität ohne Feuchte (man betrachte z.B. Taupunkte, Feuchteflusskonvergenzen, 850hPa-Feuchte) und Hebung (z.B. 700 Vertikalbewegung, 700/500/300hPa-Vorticityadvektion) nicht freigesetzt werden kann.

Aus dem CAPE-Wert lässt sich die maximale Aufwindgeschwindigkeit in [m/s] berechnen ,indem man aus dem zweifachen CAPE-Wert die Wurzel nimmt:

a = sqrt ( 2* CAPE)

Ab einer bestimmten Aufwindgeschwindigkeit wird Hagel als wahrscheinlich angesehen und bei hohen Werten auch großer Hagel. Das ist jedoch von Fall zu Fall verschieden, da auch andere Faktoren mit hineinspielen (Höhe des Untergrunds, trockene Schichten, Windscherung, Dicke der Aufwindschicht).

Allgemein lässt sich natürlich sagen, dass CAPE ein Maß für die Aufwindenergie innerhalb eines heranwachsenden CBs ist. Je größer der CAPE , desto stärker der Aufwind und desto eher kann durch ständigen Auftrieb ein Hagelkorn heranwachsen.

Bei hohen CAPE-Werten kann von guten Chancen für dichten Hagel ausgegangen werden. Falls Windscherung vorhanden ist (Richtungs- und geschwindigkeitsscherung) und demzufolge Superzellen entstehen, dann erhöht sich auch das Risiko für großen Hagel.

In Mitteleuropa sind CAPE-Werte über 1500 J/kg allgemein eher selten, ein Sonderfall (siehe auch den obig angezeigten Temp) war der 18.6.2002 mit über 3000 J/kg in De-Bilt (MLCAPE). Bei der Unwetterlage am 29. Juli 2005 wurden lediglich 1000-1500 J/kg CAPE erreicht, am 23.6.2004 mit dem Micheln-Tornado z.T. unter 500 J/kg. Man sieht also, dass hoher CAPE alleine nicht zwingend für schwere Unwetter oder gar Tornados ist, wenn die restlichen Parameter nicht passen. Speziell in Mitteleuropa ist es eine Kombination aus hoher Dynamik und mäßiger Energie,die gefährliche Wetterlagen hinsichtlich Downbursts und Tornados erzeugt. So sind auch bei niedriger Labilität, jedoch hoher Windscherung gefährliche Wetterlagen möglich.

Das Problem bei energiereicher Luft ohne "Deckel" (Absinkinversion) ist die rasche, teils explosionsartige Auslöse, die verbreitet zur Zusammenballung der Gewitterzellen führt ("Clusterbildung") , womit sich die Zellen bzw. deren Aufwinde gegenseitig behindern und sich die energiereiche Luft wegnehmen. Isolierte Schwergewitter /Superzellen bei energiereicher Luft bedingt meist auch ein gewisses Maß an Dynamik (Kurzwellentrog, Jet) + einen Deckel, der verbreitete Auslöse unterbindet. Reicht der Antrieb (Forcing) von unten her aus (Einstrahlung, erzwungene Hebung), dann wird der Deckel durchstoßen und die hohen CAPE-Werte können freigesetzt werden.

CAPE über einer trockenen Grenzschicht erzeugt kräftige Abwinde, wenn die Niederschlagsteilchen verdunsten. Befinden sich die Trockenschichten im mittleren Niveau, dann verdunsten die Teilchen zunächst, was den Abwind beschleunigt und die bodennah feuchtere Schicht verdrängt. Mehr zur Downburstentstehung in den Interessanten Beiträgen.

Wenn nun gar kein CAPE vorhanden ist, so ist das nicht gleichbedeutend mit Abwesenheit von Gewittern. Doswell schreibt in seinem Artikel "Was hat es mit Indizes und Parametern auf sich? " (März 2006, Übersetzung hier ):

Ein weiteres Beispiel einer verknüpften Variable ist CAPE. Seine Berechnung ist ziemlich kompliziert, aber wenn wir sie auf seine häufigsten Grundelemente reduzieren, wird großer CAPE allgemein dort gefunden, wo die Feuchtigkeit der unteren Schichten in Präsenz von bedingt instabilen Temperaturabnahmen der unteren Mitteltroposphäre vorhanden ist. Und auch hier entwickeln sich Feuchtigkeit der unteren Schichten und Temperaturabnahmen der unteren Mitteltroposphäre quasi-unabhängig, und kann dann durch unterschiedliche Advektionsprozesse überlagert sein. Vor dieser Überlagerung, sind die Luftflüsse, welche bedingt instabile Temperaturabnahmen und Feuchtigkeit in unteren Schichten (typischerweise in verschiedenen Höhen der Atmosphäre und können so Variablen in verschiedene Richtungen und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten advehieren) transportieren, noch nicht in Wechselwirkung getreten und folglich wird wenig oder kein CAPE gefunden. Das Vorhandensein von CAPE deutet auf die Überlagerung von Feuchtigkeit und bedingt instabilen Temperaturabnahmen hin, doch die Abwesenheit von CAPE vor der Überlagerung kann nicht für die Folgerung genutzt werden, dass künftig großer CAPE nicht vorhanden ist. Für mich ist das ein grundlegendes Konzept für das Verständnis des Unterschiedes zwischen diagnostischer und prognostischer Variable. CAPE informiert mich darüber, wo Feuchtigkeit und bedingte Instabilität bereits überlagert sind, nicht wo sie künftig (oder nicht) überlagert sein werden.

CAPE beschreibt also einen Ist-Zustand in der Atmosphäre und kann nur schwer vorhergesagt werden, gerade bei sehr unsicheren Wetterlagen mit unsicherem Verlauf von Kurzwellentrögen oder KLTs. Dies sollte bei der Verwendung der CAPE-Karten von GFS beachtet werden.

5. Wie lässt sich CAPE vorhersagen?

Man verwendet dafür meist Prognosesoundings, z.B. von NMM oder GFS (selbst geplottet), die jedoch oft mit Vorsicht zu genießen sind (zu trockene Grenzschichten bei NMM, zu feuchte bei GFS). Letzendlich bieten erst die Mittagsaufstiege eine einigermaßen solide Basis, um nachmittägliche und abendliche Labilität abzuschätzen. Natürlich handelt es sich bei SOUNDINGS auch nur um Ist-Zustände. Bei sehr dynamischen Wetterlagen kann die Schichtung + Windverhältnisse in wenigen Stunden wieder ganz anders aussehen.

Man kann aber z.B. davon ausgehen, dass bei weiterer Einstrahlung die Temperaturkurve in den unteren Schichten steiler wird, bei weiterer Feuchteadvektion oder Vor-Ort-Entstehung durch Evapotranspiration (Verdunstung von Feuchtigkeit der Vegetation) , ein niedrigeres Kondensationsniveau und entsprechend Labilität entsteht. Dass ein Kurzwellentrog die Absinkinversion abschwächt oder gar ganz ausmerzt. Dass durch Hebung in den mittleren Niveaus steilere Temperaturabnahmen und entsprechend eine Labilitätsfläche entsteht.

Eine Mischung aus Progtemps, realen Temps, Modellkarten und Beobachtungen bringt also die besten Ergebnisse. So kann anhand der vorhersagten Schichtung durch einen Temp + reale Beobachtung abgeschätzt werden, wie groß der Fehler ist und in welche Richtung sich die Schichtung entwickeln könnte.

6. GFS-CAPE-Karten

Noch ein Wort zu den GFS-Karten in der Wetterzentrale:

Die farbigen Flächen sind die CAPE-Werte in J/kg , die Zahlen der Lifted Index (LI, hierzu ein anderes Mal mehr).

Blaue Flächen deuten im allgemeinen wenig bis kein CAPE und stabile Schichtungen an, was jedoch nicht heißt, dass hier hochreichende Feuchtkonvektion vollkommen ausgeschlossen werden kann. Gerade in den Randgebieten von wenig bis viel CAPE können sich die Regionen je nach Dynamik der Wetterlage verschieben . Ferner weisen Randgebiete mit rasch zunehmender Labilität auf entsprechende Dynamik hin, z.B. eine Front oder eine Konvergenz. Der Schwerpunkt der Gewitter- oder Unwettertätigkeit muss also nicht zwingend im Bereich der höchsten CAPE-Werte liegen, sondern eher dort, wo der stärkste CAPE-Gradient vorhanden ist. Je nach hochreichender Kaltluft mit einhergehenden Hebungsvorgängen und hoher Labilität lassen sich anhand der Verteilung der CAPE-Werte sogar Frontensysteme /Tiefdruckwirbel erkennen, wie es hier über Mitteleuropa der Fall ist.

Es kribbelt geradezu in den Fingern, eine Okklusion über der Nordsee, eine Kaltfront über Westdeutschland bis Nordfrankreich und eine Warmfront über der westlichen Ostsee, Westpolen bis Nordostösterreich einzuzeichnen. Es ist kein Zufall, dass die Gradientzonen der Fronten und Zonen mit höchsten CAPE-Werten im Warmsektor mit der Verteilung der äquipotentiellen Temperaturen zusammenfallen :

Denn äqui(valent)potentielle Temperaturen enthalten die potentielle Temperatur + latente Wärme und sind ein Maß für den Energiegehalt einer Luftmasse. Je höher die "ThetaE"-Werte, desto höher die potentiell verfügbare Energie. Auch hier gilt, dass hohe ThetaE-Werte ohne die zusätzlich betrachtete Feuchte + Hebung nicht für die Vorhersage von Feuchtkonvektion ausreicht. Aus dem vertikalen Verlauf der ThetaE-Werte lässt sich der KO-Index ableiten. Bei Abnahme der ThetaE-Werte mit der Höhe spricht man von potentieller Instabilität.

7. Wie wertvoll ist CAPE ?


Versuch einer Beantwortung durch Johannes Dahl (ESTOFEX-Vorhersager):


Noch eine kleine Ergänzung, weshalb CAPE kein sonderlich guter Prediktor für Vertikalbewegungen und Schwere eines Gewitters ist:


Wenn man CAPE herleitet, geht man von der vertikalen Bewegungsgleichung aus, die da aussagt, dass ein Paket im Prinzip nur durch Schwerkraft und Druckgradientkraft vertikal beschleunigt werden kann (Viskosität etc. mal außer Acht gelassen). Die Schwerkraft balanciert aber die Druckkraft weitestgehend. Das, was für Vertikalbeschleunigungen sorgt, ist die nicht-balancierte ("nicht-hydrostatische") Druckgradientkraft. Diese besteht aus zwei Teilen: Dem Archimedischem Auftrieb (der durch Dichteschwankungen hervorgerufen wird) und dem nicht-hydrostatischen Druckgradienten. In nahezu allen einführenden Texten wird der letzte Beitrag einfach gestrichen und es wird angenommen, dass nur Archimedes für Vertikalbewegungen verantwortlich ist. Archimeded integriert gibt gerade CAPE. Eigentlich fehlt aber der nich-hydrostatische Druckgradient-Anteil. Es zeigt sich, dass diese genauso groß oder größer werden kann als der Auftriebsbeitrag. Von daher kann es sehr gut bei minimalen CAPE-Werten zu immensen Unwettern kommen, wenn das Druckfeld stimmt (und genau dafür brauchen wir die Windscherung, die nämlich ein schönes, starkes nicht-hydrostatisches Druckfeld erzeugt, wenn sie mit einem Aufwind interagiert).


Also würde ich Deine Frage im Titel so beantworten, dass CAPE wichtig ist, um zu sehen, wo theoretisch freie Konvektion möglich ist (die dann durch die Windscherung verfeinert werden kann). Die Intensität des Aufwindes nimmt ganz grob gesprochen schon mit zunehmenden CAPE-Werten zu, aber selbst bei großen CAPE-Werten kann es sein, dass nur schwache Gewitter entstehen und selbst bei minimalen CAPE-Werten kann es zu langlebigen, schweren Unwettern kommen.1


zurück zur Homepage

© Felix Welzenbach , 14.Juni 2006

[ Zurück zum Index ]

WZ Forum - Interessante Beiträge wird administriert von Georg Müller mit WebBBS 5.12.