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Die Böigkeit des Windes
MeteoSchweiz-Blog | 06. Juni 2023
Warum weht der Wind manchmal gleichmässig, manchmal mit ruppigen Böen? Wie misst man Böen? Wie prognostiziert man sie? Antworten auf diese Fragen im heutigen MeteoBlog.
Wetter
Warum weht der Wind manchmal gleichmässig, manchmal mit ruppigen Böen? Wie misst man Böen? Wie prognostiziert man sie? Antworten auf diese Fragen im heutigen MeteoBlog.
Die Einen mögen’s, wenn der Wind plötzlich auffrischt und am eigenen Körper oder im Segel den Druck spürbar erhöht. Andere empfinden das unvermittelte Zu- und Abnehmen der Kraft des Windes als unangenehm. Für viele Freizeitaktivitäten oder Sportarten bergen starke Böen sogar ein Gefahrenpotential.
In der vergangenen Woche erreichte uns die nachfolgende Anfrage eines Gleitschirmpiloten zu diesem Thema: «Heute war die Bise besonders böig angesagt, zumindest für uns Piloten zu sportlich. Welche Faktoren machen den Wind an einem Tag böiger, als an anderen Tagen? Wie werden die Böen berechnet? » Versuchen wir, uns diesem komplexen Thema anzunehmen und Antworten auf einige der Fragen zu geben.
Definition
Die American Meteorological Society definiert eine Böe als plötzliche, kurze Zunahme der momentanen Windgeschwindigkeit. Demgegenüber ist die mittlere Windgeschwindigkeit die Distanz, welche die Luft in einem bestimmten Zeitintervall zurücklegt.
Anmerkung: Für die Mehrheit der Anwendungen interessiert lediglich der Horizontalwind. In der Aviatik hingegen ist man an allen drei räumlichen Komponenten des Windes interessiert, wobei im Zusammenhang mit der Turbulenz als fluggefährdender Erscheinung der Vertikalwind besonders interessant ist. Auf Flugzeugen kann dieser mittels spezieller Instrumente und Software ermittelt und daraus beispielsweise der Grad der Turbulenz quantifiziert werden.
Im SwissMetNet, dem meteorologischen Messnetz der MeteoSchweiz, werden die horizontale Windrichtung und Geschwindigkeit je nach Standort mit zwei verschiedenen Instrumenten gemessen: der klassische Schalenstern mit Windfahne sowie die moderneren Ultraschall-Anemometer, welche ohne bewegenden Teile funktionieren (Messinstrumente SwissMetNet). Die Instrumente sind in der Regel auf einer standardisierten Höhe von 10 Metern auf einem Mast platziert, wobei dies im Gebirge oder bei einem Standort mit vielen Gebäuden nicht immer möglich bzw. auch nicht immer sinnvoll ist.
Die mittlere Windgeschwindigkeit ergibt sich aus der Mittelung über ein Zehnminuten-Intervall. Als Böenspitze wird die maximale Sekundenböe in diesem Messintervall definiert. Alle Messwerte werden in Echtzeit an das «Data Warehouse» der MeteoSchweiz übermittelt, wo aggregierte Grössen wie Stundenmittel oder die grösste tägliche Böenspitze errechnet und archiviert werden.
Die Böigkeit des Windes lässt sich schön anhand der zehnminütigen Messwerte visualisieren und interpretieren. Im Beispiel oben ist eine Zeitreihe von Sonntagmittag, 4. Juni bis Montagabend, 5. Juni an der Station Le Bouveret am oberen Genfersee dargestellt.
Am Sonntagnachmittag entluden sich in der Region Genfersee-Unterwallis zahlreiche Schauer und Gewitter. Die Kaltluft, welche durch die Niederschläge in den Alpentälern produziert wurde, strömte mit 10 bis 15 Knoten Mittelwind und Böenspitzen von 15 bis 25 Knoten aus dem Unterwallis Richtung Genfersee. (14 bis 21 UTC). Am Abend und in der Nacht beruhigte sich das Wetter und im Wallis stellte sich der für die Tageszeit typische Bergwind ein. Die sich im gesamten «Einzugsgebiet» ansammelnde Kaltluft strömt verhältnismässig ruhig ins angrenzende Mittelland aus, in diesem Beispiel mit 4 Knoten Mittelwind und nur unwesentlich höheren Böenstärken von 5 bis 6 Knoten (23 bis 07 UTC). Am Vormittag des 5. Juni stellte sich zunächst eine schwache Seebrise ein (08 bis 12 UTC). Aus einem dünnen Kaltluftpolster über der Seefläche strömt Luft in das sich stetig durch die Sommersonne aufwärmende Haupt- und die Seitentäler des Wallis, sowie die unmittelbar benachbarten Hänge des Standorts. Diese Seebrisen, die im Frühling und Sommer an allen grösseren Schweizer Seen beobachtet werden können, dürften wohl zu den ruhigsten Strömungen überhaupt in unserem Land zählen. Die zu dieser Jahreszeit relativ kühlen und sowieso glatten Seeflächen minimieren den Grad der Turbulenz der darüber hinweg streichenden Luft, die Strömung ist quasi laminar. Ab 13 UTC unterstützte vermutlich die im Mittelland wehende, mässige Bise das Walliser Talwindsystem, welches in den Nachmittagsstunden Luft vom angrenzenden Alpenvorland sammelt und in die inneren Alpen transportiert, wo sie teilweise aufsteigt und sich in Form von Thermik und Quellwolken mit der Höhenströmung vermischt.
Böen sind Ausdruck der Turbulenz in der Atmosphäre. Verschiedene Faktoren beeinflussen den Grad der Turbulenz und damit der Stärke der Böen relativ zur mittleren Windgeschwindigeit. Die wichtigsten Faktoren sind stark vereinfacht auf der nachfolgenden Skizze zusammengefasst.
Das vertikale Temperaturprofil bestimmt den Grad der Labilität und damit direkt die Intensität der sich einstellenden Turbulenz. Nimmt die Temperatur mit der Höhe stark ab, wie dies typischerweise im Sommerhalbjahr tagsüber der Fall ist, ist die Atmosphäre labil und es findet ein turbulenter Austausch von Luft am Boden mit Luft in höheren Schichten statt. Etwas salopp ausgedrückt «transportieren» absinkende Luftpakete dabei ihre grössere Geschwindigkeit von den höheren Luftschichten hinab und «beschleunigen» die Luft näher am Boden. Umgekehrt die vom Boden aufsteigenden Luftpakete: diese «bremsen die Luft weiter oben aus», so dass netto nach einiger Zeit das vertikale Windprofil eine einheitliche Geschwindigkeit annimmt (rote Kurve). Die Sonne ist der wichtigste Treiber für das sich strahlungsbedingt einstellende, tagsüber meist labile Temperaturprofil.
Nachts kühlt der Boden ab und mit ihm die aufliegenden bodennahen Luftschichten. Im Winterhalbjahr bzw. in der Nacht bilden sich flache Kaltluftseen, welche die darüber strömende Luft vom Boden oft komplett abkoppeln. In den Kaltluftseen weht in der Regel sehr schwacher bis kein Wind.
Die Rauhigkeit der Erdoberfläche beeinflusst als zweiter wesentlicher Faktor den Grad der Turbulenz in Bodennähe. Je glatter der Untergrund, desto eher kann sich eine laminare Strömung einstellen. Hügel und Berge, Gebäude oder grössere Vegetation hingegen bewirken eine «mechanisch induzierte» Turbulenz, indem sie die Luftströmung mehr oder weniger stark ablenkt und/oder abbremst. Dies passiert sowohl auf kleinsten Raumskalen von Mikrometern bis zur Grössenordnung von ganzen Gebirgszügen wie den Alpen. Es genügt ein Gang um das eigene Haus oder durch das Wohnquartier, um die grosse Variabilität des Windes auf kleinstem Raum hautnah zu erleben.
Der Turbulente Austausch zwischen Boden und Atmosphäre findet zu einem überwiegenden Anteil in den untersten Zehnern Metern bis wenigen Kilometern statt. Darüber strömt die Atmosphäre unbeeinflusst vom Boden in der Regel mit deutlich höheren Windgeschwindigkeiten. Das vertikale Windprofil selbst (über einen grösseren Höhenbereich, ca. 1-10 km), welches durch die grossräumige Wettersituation bzw. die geographische Lage auf der Erde gegeben ist, spielt ebenfalls eine Rolle bei der sich einstellenden Turbulenz in Bodennähe.
Zu guter Letzt sind es Schauer und Gewitter mit ihren punktuellen, aber oft kräftigen Niederschlägen, welche starke Böen produzieren können. Verdunstet ein Teil der Niederschläge auf dem Weg von der Wolke zum Erdboden kühlt sich die umgebende Luft ab, wobei ihre Dichte zunimmt und grössere Luftmassen zum Erdboden hin beschleunigt werden. Im Gegensatz zur rein strahlungsbedingt sich einstellenden Thermik, die auch ohne Wolkenbildung ablaufen kann, spricht man von «Feuchtkonvektion» sobald Wolken- und Niederschlagsbildung stattfinden. Ein weiterer Faktor ist die Interaktion zwischen den auf Grund der Schwerkraft hinabfallenden Niederschlagsteilchen und der Luft, die sie umgibt. Regentropfen und Hagelkörner «reissen» buchstäblich die Luft mit sich hinab. Ein Prozess, der in der Fachliteratur als «precipitation drag» angesprochen wird.
Im letzten Jahrhundert wurden die Böen, in Anlehnung an die oben dargestellten Prozesse, mit wenigen groben Faustregeln abgeschätzt: messbare Grössen wie horizontale Druckgradienten am Boden, der Höhenwind oder Temperaturdifferenzen bei Frontdurchgängen wurden genutzt, um mittels statistischer Auswertung von vergangenen Fällen die Böenspitzen abzuschätzen. Eine heute noch gebräuchliche, erste Annäherung der Böenspitzen am Boden ist schlicht und einfach die mittlere Windgeschwindigkeit auf dem 850 hPa Druckniveau. Diese ist relativ einfach mess- und prognostizierbar und verändert sich vergleichsweise langsam im Verlauf eines Tages.
Seit den Achtzigerjahren bildet die numerische Wettervorhersage das Rückgrat der täglichen Wetterprognose. Möglichst realitätsnahe mathematisch-physikalische Beschreibungen der Prozesse, die in der Natur ablaufen, werden von «Wettermodellen» wie dem globalen ECMWF oder dem regionalen COSMO Modell der MeteoSchweiz auf Hochleistungsrechnern abgebildet und mehrmals am Tag berechnet. Über Apps oder auf einschlägigen Webseiten sind die Resultate dieser Simulationen direkt oder in Form von statistisch korrigierten und hübsch visualisierten Verfahren für Interessierte verfügbar. Bei der Interpretation gibt es einige Aspekte, die beachtet werden sollten.
Die gesamte Atmosphäre wird in Gitterboxen von 1x1 km (COSMO) bis rund 9x9 km (ECMWF) aufgeteilt, in welchen die Luft als einheitlich betrachtet wird. Ausserdem benötigen die Modelle eine stark vereinfachte (geglättete) Darstellung der Orographie und des Bodentyps. Prozesse, die auf Raumskalen von einigen Gitterlängen stattfinden, können mit diesen Modellen gut abgebildet werden. Andere «subgitter-skalige» Prozesse wie beispielswiese die Strahlung, die Mikrophysik der Wolken- und Niederschlagsbildung oder eben die Turbulenz irgendwie müssen angenähert werden. Im COSMO Modell wird für die Diagnose der Böenstärke vereinfacht dargestellt der folgende Ansatz verwendet:
TCM ist dabei ein «turbulenter Transferkoeffizient», der aus dem modellinternen Parametrisierungsschema stammt. Das Alpha ist ein Parameter, der aus statistischen Vergleichen zwischen den Modellvorhersagen mit den Beobachtungen an den Bodenstationen festgelegt wird. Die ganzen oben dargestellten Prozesse «verschwinden» quasi in diesen beiden technischen Grössen. Das ECMWF Modell beinhaltet zusätzliche Terme zur Beschreibung der feuchtkonvektiven Prozesse, welche im «konvektionserlaubenden» COSMO-Modell zumindest teilweise explizit aufgelöst werden. Soweit die abstrakte Theorie.
Es ist offensichtlich, dass all diese groben Annäherungen an die Natur zu Fehlern führen, die sich mit fortlaufender Vorhersagedauer oft auch aufschaukeln. Aus diesem Grund wird das Modell nicht nur einmal, sondern mehrfach mit leicht veränderten Anfangs-, Randbedingungen sowie Variationen in diversen Grössen der Parametrisierungsschemata gerechnet. Die Streuung zwischen verschiedenen möglichen Szenarien sowie Wahrscheinlichkeiten für das Überschreiten von Schwellwerten können so abgeschätzt werden. Beispielhaft sind in der folgenden Grafik alle zehn Szenarien des COSMO-1E Ensembles (obere und mittlere Reihe) dem Mittelwert aller Szenarien sowie dem Kontrolllauf, dem deterministischen Hauptlauf des ECMWF und dem ICON-EU Modell des Deutschen Wetterdienstes (untere Reihe) gegenübergestellt.
Die Streuung ist zwischen den verschiedenen Szenarien ist zwar nicht enorm, dennoch sind in einzelnen Realisierungen lokal stärkere Böen angedeutet. Diese Ausreisser werden von den diensthabenden Meteorologen zur Kenntnis genommen, für die manuellen Textprognosen und die telefonischen Auskünfte wird jedoch auf die mehrheitsfähigen Szenarien gesetzt.
Spulen wir das Band nun ganz zurück an den Anfang dieser Ausführungen, zu den Gleitschirm Startplätzen in den Alpen und der Frage unseres Bloglesers. Die Startplätze sind naturgemäss sehr exponiert und die kleinräumigen lokalen Gegebenheiten der Orographie werden unzureichend in den Modellprognosen abgebildet. Bei der Interpretation der (automatischen) Prognose ist daher Vorsicht geboten. Es lohnt sich auf jeden Fall, immer verschiedene Vorhersagen zu konsultieren und mit der Zeit Erfahrungen zu sammeln, ob die Böigkeit des Windes am Startplatz von den einzelnen Prognosesystemen eher unter- oder überschätzt wird. Im Zweifelsfall lohnt sich auch eine telefonische Rücksprache mit unseren Meteorologinnen und Meteorologen, wir freuen uns auf ihren Anruf: