....Zeichen des Wetters verstehen.
Die imposantesten Gebilde des Wolkenhimmels haben zweifellos den Namen Cumulonimbus. Dabei handelt es sich um eine haufenförmige Wolke mit starker vertikaler Ausdehnung.
Cumulonimbus ist die Weiterentwicklung der Cumulos congestus. Letztere ist im Grunde auch bereits eine stockwerksübergreifende Wolke, besteht jedoch im oberen Bereich nur aus unterkühlten Wassertröpfchen. Der Übergang zur Cumulonimbus setzt dann ein, wenn sich dort Eiskristalle beginnen zu bilden. Die beginnende Vereisung ist durch das Einebnen der Quellungen und dem Verschwimmen der ursprünglich scharfen Konturen zu erkennen (Cumulonimbus calvus). Bereits sind leichte Niederschläge möglich.
Cumulonimbus calvus: Diese Art steht für die beginnende Vereisung der oberen Bereiche von Cumulus congestus. Die Quellungen sind noch zu erkennen, beginnen sich jedoch einzuebnen. Ausserdem beginnen die bisher scharfen Konturen zu verschwimmen. Demgegenüber sehen die unteren Bereiche der Wolke noch gleich aus wie bei der Cumulus congestus.
(Quelle: Photo taken by Bidgee - User:Bidgee's Own work, CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=832919)
Mit fortschreitender Vereisung bilden sich Bereiche, die eine faserige («Cirrus-ähnliche») Struktur aufweisen (Cumulonimbus capillatus). Dabei wachsen die Eiskristalle auf Kosten der unterkühlten Wassertröpfchen. Daraus kann sich Niederschlag bilden, der sich u.a. in Starkregen äussert.
Cumulonimbus capillatus (incus): Die Vereisung hat sich im oberen Bereich stark ausgebreitet. Die Wolke hat dort in weiten Bereichen ihre Blumenkohl-Form verloren. Die Struktur ist nun Cirrus-ähnlich. Wegen der mächtigen Inversion der Stratosphäre breitet sich die Wolke seitlich an der Tropopause aus.
(Quelle: Jakub Hałun - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=91053722)
Da im unteren Bereich der Wolke nur Wasserströpfchen vorkommen, sind dort die seitlichen Blumenkohl-artigen Quellungen aus der Cumulus-Wolke weiterhin vorhanden.
Das Wachstum der Cumulonimbus kann die Höhe der Tropopause (Grenzschicht zur Stratopshäre) erreichen. Da diese eine sehr starke Inversion darstellt, ist dort mit weiterem Aufstieg Schluss. Der obere Teil der Cumulonimbus capillatus breitet sich deshalb seitlich aus, wodurch sich die Form eines Ambosses ergibt (incus). Während der untere Bereich der Wolke meist Durchmesser von ca. 10km hat, kann sich der Amboss um mehrere Faktoren weiter ausbreiten. Durch die Höhenwinde wird der Amboss meist gegen eine Richtung verzerrt.
Hier wird der Amboss nach links verzerrt
(Quelle: Pablo Andrés Ortega Chávez - Flickr, GFDL 1.2, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=37453383)
Es ist möglich, dass die starken Aufwinde in der Mitte der Wolke (bis ca. 100 km/h) die Tropopause etwas «hochdrücken», dann bildet sich ein «overshooting top».
«overshooting top»: Mächtige Aufwinde drücken die Tropopause in die Höhe
(Quelle: Bryan Ledgard - https://www.flickr.com/photos/ledgard/84359400/, CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=58290727)
Weil sich der Amboss sehr mächtig ausbreitet, kann die Wolke erst ab einer Entfernung von mehr als 50 Kilometer von der Seite aus erkannt werden. Befindest du dich näher oder sogar unmittelbar unter einer Cumulonimbus, so ist die Wolkenunterseite sehr dunkel und mit einem bedrohlichen Anblick. Unter der Wolke befinden sich oft zersetzte Wolkenteile.
Bereits in der Nähe der Wolke ist die Amboss-Form nicht mehr erkennbar. Teile des Ambosses können jedoch noch an der Cirrus-ähnlichen Struktur erkannt werden.
(Quelle: Famartin - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=40291348)
bedrohlicher Anblick unter einer Cumulonimbus
Die Cumulonimbus und mit ihr allfällige Gewitter, bewegt sich mit dem Wind der in der Höhe vorherrscht (Höhenströmung). Das Einströmen von warmer Luft in die Wolke erfolgt auf der Vorderseite. Der Wind weht dort als quasi zum Gewitter hin. Bei schwacher Höhenströmung kann die Gewitterzelle stationär bleiben und dabei können an einem Ort grosse Niederschlagssummen in kurzer Zeit niedergehen.
Das Gewitter einer einzelnen Cumulonimbus ist zwar sehr heftig, gleichzeitig aber auch kurzlebig. Mit dem Niederschlag beginnt im Grund schon die Selbstzerstörung der Wolke. Ein Teil des Niederschlages verdunstet schon innerhalb der Wolke, so dass die Luft stark abgekühlt wird. Dadurch und auch weil der Niederschlag die Luft quasi runterdrückt, bilden sich starke Abwinde. Diese kreuzen sich je nach Windverhältnisse mit dem Aufwindbereich und schneiden diesen ab. Die Kondensation neuer Wassertröpfchen durch die Hebung wird so unterbunden. Durch das «runterfallen» werden die Abwinde stark beschleunigt. Dort wo der Abwind (engl. «downburst») auf den Boden trifft, breitet er sich seitlich aus, so dass heftige Windböen entstehen. Diese können grosse Schäden anrichten (siehe Unwetter in Zürich vom 13.07.2021). Mit der Ausbreitung der Kaltluft am Boden wird die bestehende warme Luft wie bei einer Kaltfront in die Höhe gehoben, man spricht von einer Böenfront.
Abkühlung durch Verdunstung innerhalb der Wolke führt zu Absinken von Luftpaketen. Auf dem Weg nach unten werden sie stark beschleunigt. Dort wo sie auf den Boden auftreffen, breiten sie sich seitlich aus und es entstehen starke Windböen. Das seitliche Ausbreiten führt ausserdem dazu, dass die bestehende warme Luft hochgedrückt wird («Böenfront»)
Gute Skizzen zur Gewitterentstehung finden sich in dieser Präsentation des DWG oder auf der Homepage von Gerd Pfeffer.
Bei starken Aufwinden ist der Niederschlag innerhalb der Cumulonimbus ist auch geprägt von Hagel. Wenn die fallenden Eiskristalle wieder von einem starken Aufwind erfasst und nach oben befördert werden, können sie weiterwachsen. Dieser Zyklus kann sich mehrere Male wiederholen und dabei bildet sich jedesmal eine neue Eisschicht um das Korn. Sobald sie zu schwer werden um vom Auftrieb wieder hochgetragen zu werden, fallen sie auf den Boden. Je stärker die Aufwinde, desto grösser können die Körner wachsen.
Querschnitt durch ein Hagelkorn. Pro Aufwind bildet sich eine Schicht aus einem dunklen und einem hellen Ring. Der dunkle (eher durchsichtige) Ring bildet sich in den unteren («wärmeren») Bereichen des Aufwindes, wo sich erst ein Wasserfilm um das Korn bildet, der als Ganzes und eher langsam gefriert mit Bildung eines eher geordneten Kristallsystems. Beim hellen (trüben) Ring aus dem oberen («sehr kalten») Aufwindbereich geht die Kristallbildung sehr schnell, unterkühlte Wassertröpfchen gefrieren direkt ans Korn, mit Bildung einer ungeordneten Kristallstruktur
(Quelle: ERZ - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5034217)
In den Gewittern entstehen auch elektrische Ladungen innerhalb der Wolke (oben +, unten -) und am Erdboden (+). Aus dessen Entladung bilden sich die Blitze. Dabei gibt es Blitze von der Wolke zum Erdboden, als auch Blitze innerhalb der Wolke. Durch die blitzschnelle Erwärmung der Luft im Blitzkanal (auf 30’000°C) dehnt sich dieser rasch aus. Die dabei entstehende Druckwelle stellt den Donner dar. Die Vorgänge welche zur Landungstrennung führen sind noch nicht ganz verstanden.
Bodenblitze
(Quellen: Emilio Küffer - HlökkUploaded by ComputerHotline, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29349767)
Wenn beim Gewitter nur eine einzelne Wolke involviert ist, spricht man von einem Einzellengewitter. Dann ist das Sturmwetter kurzzeitig. Meist injizieren die heftigen Abwinde jedoch die Bildung einer neuen Cumulonimbus. Dies weil die bodenah ausbreitende Kaltluft die bestehende Warmluft in die Höhe schiebt (wie bei einer Kaltfront). So entsteht, meist neben einer sterbenden Mutterwolke, eine neue Cumulonimbus (siehe Animation unten). Diese ist meist diagonal zur Zugbahn der Mutterwolke ausgerichtet. Man spricht in diesem Fall von einem Multizellengewitter. Sind starke Windscherungen in der Wolke vorhanden, dann können sich rotierende Strömungen ausbilden, wo sich Abwind- und Aufwindbereich nicht mehr in die Quere kommen. Dabei entsteht eine mehrere Stunden lebende Superzelle, die ein Durchmesser von mehreren 100 Kilometer aufweisen kann.
Schematische Animation zur Bildung einer Tochterzelle bei einem Multizellengewitter: Die sich ausbreitende Kaltluft drängt die bestehende warme Luft in die Höhe
(Quelle: Pekachu - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=40497825)
Schematischer Aufbau einer Superzelle
(Quelle: Michael Graf - Own work imported from Wikipedia DE (de:Bearbeiten von Bild:Superzelle schema.jpg), CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=293700)
Eine Eigenart der Cumulunimbus ist, dass sie eine Art «Wolkenfabrik» darstellt. Denn aus ihr können sich zahlreiche Wolkentypen abspalten. So können z.B. aus dem vereisten Amboss durch den Wind Teile als Cirren fortgeweht werden. Wenn sich die Cumulonimbus auflöst, dann können sich aus Restfragmenten der mittleren bis unteren Teile Altocumulus, Altostratus oder Stratocumulus bilden. Auch der Amboss bleibt oft noch eine Zeit lang als Cirrus spissatus erhalten.
Amboss-Rest als “Cirrus spissatus cumulonimbogenitus”
(Quelle: GerritR - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=68095137)
Entstehung: Eine Cumulonimbus bildet sich, wenn die oberen Teile einer Cumulus congestus beginnen zu vereisen
Fern von Fronten bei starker Thermik, welche durch warm-feuchte Luft und wenig stabiler Luftschichtung begünstigt wird (Wärmegewitter). Dies ist vor allem im Sommer bei flacher Druckverteilung der Fall. Die tägliche Abfolge von Quellbewölkung > Gewitter > Auflösung kann sich dabei täglich wiederholen. Innerhalb von starken Hochdruckgebieten ist durch die stabile Luftschichtung (inkl. Inversionen) die vertikale Ausdehnung der Thermik meist begrenzt und stoppt im Stadium von Cumulus humulis oder Cumulus mediocris.
durch orographisch erzwungene Hebung, wenn dadurch ein Niveau erreicht wird, wo die Luftschichtung nur wenig stabil ist (orographische Gewitter). Gewitter aus den Voralpen können dabei jedoch auch weiter ins Flachland ziehen.
durch grossräumige orographische Hebung, wenn dabei eine wenig stabile Luftschichtung labilisiert wird, so dass Konvektion einsetzt.
Durch rasche grossräumige Hebung warmer Luft bei einer Kaltfront: Dabei wird die Luftschichtung labilisiert, so dass Konvektion einsetzt (Kaltfrontgewitter). Dabei bilden sich die Cumulonimbi in linearer Anordnung und ziehen mit der Front von Westen nach Osten. Sie können dabei auch mit Nimbostratus gemeinsam auftreten. Im Sommer wird die Konvektion zusätzlich durch Thermik verstärkt, so dass dann die Kaltfrontniederschläge heftiger sind. Selten sind auch bei Warmfronten Gewitter möglich, sofern dort durch die Labilisierung der Luftschichtung Konvektion einsetzt (Warmfrontgewitter).
durch Thermik im Warmsektor im Vorfeld einer Kaltfront («präfrontale Konvergenz»)
Durch Einsickern von Höhenkaltluft. Es bilden sich Altocumulus castellanus oder Stratocumulus castellanus. Die Türmchen wachsen so mächtig, dass sie zu Cumulus altocumulogenitus / stratocumulogenitus übergehen. Bei sehr starkem Wachstum bilden sich daraus wiederum Cumulonimbi..
Arten:
Cumulonimbus calvus: Im oberen Teil beginnen die Konturen zu verschwimmen und die Quellungen sich einzuebnen. Die Blumenkohl-Form ist dabei aber noch ansatzweise zu erkennen. Die Unterscheidung zu einer Cumulus congestus kann schwierig sein, deshalb folgender Tipp: Vergleiche den oberen und unteren Bereich der Wolke, denn dann erkennst du die Veränderung der Struktur im direkten Vergleich. Aus der Wolke bilden sich meist kurzzeitige Niederschläge.
Cumulonimbus calvus: Vergleiche den unteren mit dem oberen Bereich der Wolke, den dann ist die Strukturveränderung im direkten Vergleich besser erkennbar.
(Quelle: Carptrash - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=14790403)
Cumulonimbus capillatus: Im oberen Teil der Wolke sind Bereiche mit einer faserigen («Cirrus-ähnliche») Struktur (mit parallelen Fasern) vorhanden, wo die Blumenkohl-Formen (Quellungen) praktisch verschwunden sind. Manchmal durchzieht sich die «Cirrus-ähnliche» Struktur auch den gesamten Wolken-Oberteil. Wenn sich die obersten Bereiche an der Tropopause seitlich ausbreiten, kann sich die charakteristische Amboss-Form ausbilden (Sonderform «incus»). Meist bildet sich Niederschlag, entweder als kurzfristige Regenschauer oder als Gewitter mit Starkregen, Blitz und Donner (z.T. Hagel).
Cumulonimbus capillatus: weite Teile des oberen Bereiches sind vereist und weisen eine Cirrus-ähnliche Struktur auf. Dabei sind auch die Quellungen der ursprünglichen Cumulus congestus verschwunden
(Quelle: Koichi Oda - a cumulonimbus, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=55887002)
Unterarten:
Bei Cumulonimbus gibt es keine Einteilung in Unterarten!
Sonderformen:
virga: Fallstreifen welcher den Boden nicht erreicht
praecipitatio: Niederschlag erreicht den Erdboden: als Regen, Starkregen, Schnee oder Hagel
Cumulonimbus praecipitatio
mamma: beutelförmige Ausstülpungen nach unten. Sie sind sehr oft im hinteren Teil der Wolke zu finden
Cumulonimbus mamma
(Quelle: Famartin - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=91983470)
incus: Amboss-Form im oberen Teil der Wolke
Cumulonimbus capillatus incus
(Quelle: Rafikimambo at English Wikipedia - Transferred from en.wikipedia to Commons., Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10191214)
arcus («shelf-cloud»): bogenförmiger Ausläufer im vorderen unteren Bereich der Wolke. Auf der Unterseite können Wolken-Fetzen auftreten. Er bildet sich durch die kalten Abwinde aus der Wolke. Diese verdrängen drücken die bestehende Warmluft nach oben. An dieser «quasi-Kaltfront» (Böenfront) bildet sich ein ständig drehender Luftwirbel mit horizontaler Achse. Indem dabei Luftpakete jeweils über das Kondensationsniveau gehoben werden, bildet sich die bogenförmige Wolke. Der Wirbel entsteht nicht zuletzt durch Windscherung: In der Kaltluft strömt der Wind vom Gewitter weg, in der darüber liegenden Warmluft zum Gewitter hin.
Bildung einer shelf-cloud (schematisch)
(Quelle: bearbeitet aus Tower of Orthanc Diskussion - Selbst Erstellt, PD-Schöpfungshöhe, https://de.wikipedia.org/w/index.php?curid=1790439)
Cumulonimbus arcus (shelf-cloud)
(Quelle: Sensenmann - Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=822589)
Cumulonimbus arcus (shelf-cloud)
(Quelle: Photo by John Kerstholt.original upload by Solitude - From English Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=28038)
murus («wall-cloud»): Randliche Bereiche wo sich die Wolken-Untergrenze absenkt. Die Form bildet sich typischerweise in Multizellen-Gewitter oder Superzellen. Es handelt sich um den Ansaugbereich, wo warme Luft in die Wolke gelangt. Die tiefere Wolkenuntergrenze ergibt sich, weil nebst der warmen Luft auch etwas kalt-feuchte Luft des Niederschlagsbereiches angesaugt wird. Mit dieser zusätzlichen Feuchtigkeit wird das Kondensationsniveau herabgesetzt.
Cumulonimbus murus: Die Wolkenuntergrenze ist tiefer als im Rest der Wolke
(Quelle: Giorgio Galeotti - Own work, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=51297893)
Die wall-cloud bildet sich im Ansaugbereich und
die shelf-cloud an der Böenfront wo die kalte Luft austritt
(Quelle: bearbeitet aus Fúlvio - File:Supercell02.svg, de Vanessaezekowitz; File:Supercell02.jpg., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20985330)
cauda («tail-cloud»): Mit der kalt-feuchten Luft gelangen auch Wolkenfetzen zur wall-cloud. Diese Kette aus Wolkenfragmenten aus dem Niederschlagsbereich bildet sich tail-cloud.
Cumulonimbus murus cauda: die tail-cloud zeigt von der wall-cloud in Richtung Niederschlagsbereich
(Quelle: bearbeitet aus Giorgio Galeotti - Own work, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=51297892)
tuba: Säule oder umgekehrter Kegel mit einer sichtbaren Wirbelbewegung wächst von der Wolkenunterseite in Richtung Boden. Wenn dabei kein Bodenkontakt vorhanden ist, spricht man von einer «Funnelcloud». Ein Beispiel stellt auch der Rüssel eines Tornados dar. Tornados bilden sich vor allem in Superzellen. Aber auch bei «normalen» Cumulus oder Cumulonimbus sind «Mini-Tornados» in Form von Windhosen (über Land, engl. «Landspout») oder Wasserhosen (über Gewässer, engl. «waterspout», Bildung von Wasserhosen) möglich.
Cumulonimbus tuba (Tornado)
(Quelle: Justin1569 at English Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5943918)
Cumulonimbus tuba (Wasserhose)
(Quelle: Julian Kupfer - Self-photographed, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1235233
Begleitwolken:
pannus: Wolkenfetzen unter der Cumulonimbus
Cumulonimbus pannus: Wolken-Fetzen unter der eigentlichen Cumulonimbus
(Quelle: W.carter - Own work, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=73806631)
pileus: mit Kappe über der Hauptwolke
Cumulonimbus calvus pileus
(Quelle: Michael81 - Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4910368)
velum: mit einem seitlichen Schleier («Altostratus-Ring»)
flumen: entstehen innerhalb von Superzellen und sind, ähnlich wie wall-cloud, in Bereichen wo frische Luft in die Wolke gesogen wird. Die Wolkenuntergrenze ist jedoch höher als bei wall-cloud. Bei flacher und breiter Ausbildung spricht man vom «Beavers’s tail». Flumen zeigen zur Wolke hin und sind parallel zum Bodenwind angeordnet.
Verwechslungen: Sind Blitz und Donner oder Hagel vorhanden, dann handelt es sich auf jedenfall um eine Cumulonimbus!
obere Bereiche der Wolke mit scharfen Konturen und deutlichen Blumenkohl-artigen Quellungen: Cumulus congestus
Niederschlag nur in Form von Landregen: evtl. Nimbostratus (schwierig zu unterscheiden)
Was sagen uns die Cumulonimbi?:
wenn der obere Bereich einer Cumulus congestus beginnt zu Vereisen, dann ist in Kürze mit einem Gewitter zu rechnen. Der Übergang via Cumulonimbus calvus (evtl. leichte Niederschläge ) zu einer Cumulonimbus capillatus (Gewitter) geht sehr rasch.
Der Blick von der Seite in den Amboss wirkt bedrohlich. Doch wegen der weiten Ausdehnung der Wolke heisst das auch, dass das Gewitter (noch) nicht bei dir, sondern in einiger Entfernung stattfindet. Nun heisst es wachsam zu bleiben und die Zugrichtung des Gewitters im Auge zu haben. Zu beachten ist auch, dass sich diagonal zur Zugrichtung rasch Tochtergewitter bilden können.
Ist ein overshooting top vorhanden, dann ist das ein Zeichen für starke Aufwinde in der Wolke. Die Hagelbildung ist darin sehr wahrscheinlich.
ein symmetrischer Amboss ist ein Zeichen, dass nur schwache Winde vorherrschen, während eine starke Verzerrung eher starke Winde anzeigt
mamma-Strukturen deuten auf eine das Ende des Sturmes hin, da sie bevorzugt im hinteren Teil der Wolke vorkommen. Aber Achtung: Sie werden oft auch kurz vor der Entstehung eines Tornados beobachtet!
im Sommer ist bei prognostizieren Kaltfronten, die auf warmes Sommerwetter folgen, auf jedenfall mit Gewittern zu rechnen.
Quellen
Gavin Pretor-Pinney (2006) – The Cloudspotters Guide, The Science, History and Culture of Clouds, ISBN 978-1-101-20331-6
Gösta H. Liljequist und Konrad Cehak (1979) – Allgemeine Meteorologie, 2. verbesserte und erweiterte Auflage, ISBN 13:978-3-528-13555-3
Hans Häckel (2018) – Wolken und andere Phänomene am Himmel, 1. korrigierter Nachdruck 2021, ISBN 978-3-8186-0264-2
Hans Häckel (2016) - Meteorologie, 8. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage, ISBN 978-3-8463-4603-7 (eBook)
Hans Häckel (2007) - Wetter & Klimaphänomene, 2. völlig neu bearbeitete Auflage, ISBN 978-3-8001-5414-2
Karl Gabl (2014) – Bergwetter, Praxiswissen vom Profi zu Wetterbeobachtung und Tourenplanung, PDF-ISBN 978-3-7654-8720-0
Peter Albisser (2017) - Wetterkunde für Wanderer und Bergsteiger, 6. vollständig überarbeitete Auflage, ISBN 978-3-85902-424-3
https://en.wikipedia.org/wiki/Cirrus_cloud
https://de.wikipedia.org/wiki/Cumulus
