Gewitter in der Steiermark

Inhaltsverzeichnis

I. Einleitung
1. Problemstellung
2. Motivation und Zielsetzung

II. Hauptteil
1. Grundlagen der Gewitterklimatologie
1.1. Definition von Gewittern
1.2. Arten von Gewittern und deren Entstehung
1.3. Blitzphysik
1.4. Blitzarten
2. Die Blitzortung in Österreich
2.1. ALDIS
2.1.1. Die Funktionsweise
3. Blitzstatistik in der Steiermark
3.1. Geschichte
3.2. Neue Möglichkeiten der Blitzstatistik durch das Blitzortungssystem ALDIS
4. Blitzstatistische Auswertungen
4.1. Blitzstatistik im Bundesländervergleich
4.2. Anzahl der Blitzentladungen im Jahresvergleich
4.3. Jahreszeitliche Verteilung der Blitzentladungen
4.4. Tagesgang der Gewittertätigkeit
4.4.1 Höhenabhängigkeit im Tagesgang der Blitzaktivität
4.4.2. Regionale Unterschiede im Tagesgang der Blitzaktivität
5. Luftmassen und Gewitter
5.1. Definition von Luftmassen
5.2. Eigenschaften von Luftmassen
5.3. Luftmassenklassifikationenen
5.3.1. Die Luftmassenklassifikation für Mitteleuropa nach GEB
5.4. Jahreszeitliche Verteilung der Luftmassen
5.5. Häufigkeit der Luftmassen im Monatsvergleich
5.6. Die Bedeutung der Luftmassen für die Gewitterentstehung
5.6.1. Eigenschaften der „gewitterträchtigsten“ Luftmassen
6. Wetterlagen und Gewitter
6.1. Das System der Ostalpinen Wetterlagen
6.2. Jahreszeitliche Verteilung der Ostalpinen Wetterlagen nach LAUSCHER
6.3. Der Einfluss der Wetterlagen auf die Gewitterentstehung
7. Blitzdichte in der Steiermark
7.1. Allgemeines zur Blitzdichte
7.2. Vorgangsweise bei der Auswertung der Blitzdaten hinsichtlich der Blitzdichte und deren graphische Umsetzung
7.3. Blitzdichtekarten
7.3.1. Verteilung der Blitzdichte in der Steiermark im Jahreszeitenvergleich
7.3.2. Verteilung der Blitzdichte in Abhängigkeit von Luftmassen und Wetterlagen
8. Mittlere jährliche Zahl der Gewittertage in der Steiermark
8.1. Vergleich der beiden Untersuchungen bezüglich der Zahl der Gewittertage
8.2. Vergleich der Verteilung der Blitzdichte mit der Verteilung der Zahl der Gewittertage
9. Zugbahnen der Gewitter in der Steiermark
9.1. Allgemeines
9.2. Vorgangsweise bei der Auswertung der Blitzdaten hinsichtlich einer Zugbahnenanalyse
9.3. Darstellungen und Auswertungen
10. Fallbeispiele für klassische Gewittertage mit ausgeprägten Zugbahnen
10.1. Fallbeispiel 29.08.2003:
10.2. Fallbeispiel 17.07.2003:
10.3. Fallbeispiel 14.06.2003:

III. Zusammenschau

IV. Quellen- und Literaturverzeichnisse
1. Literatur
2. Internet
3. Datengrundlage

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Typische Ladungsverteilung innerhalb einer Gewitterwolke

Abb. 2: Die drei wesentlichen Phasen einer Blitzentladung

Abb. 3: Prinzip der Winkelbestimmung (Magnetic Direction Finding) (www.aldis.at)

Abb. 4: Optimierung nur mit Richtungsinformation

Abb. 5: Ortung durch Triangulation

Abb. 6: Aufstellungsorte der Direction Finder in Österreich

Abb. 7: Sensorstandorte des EUCLID Netzwerkes

Abb. 8: Mittlere jährliche Zahl der Gewittertage (1951 - 1970), (Wakonigg, 1978)

Abb. 9: Mittlere jährliche Anzahl der Blitzentladungen im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 10: Mittlere jährliche Blitzdichte (Blitze pro km2) im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 11: Anzahl der Blitzentladungen in der Steiermark im Jahresvergleich der 10 Jahre des Untersuchungszeitraumes

Abb. 12: Jahresgang der Blitzentladungen in der Steiermark im Monatsvergleich im Zeitraum von 1995 -2004.

Abb. 13: Tagesgang der Blitzentladungen in der Steiermark im Stundenvergleich im Zeitraum von 1995 - 2004.

Abb. 14: Tagesgang der Blitzdichte in der Steiermark in Höhenabhängigkeit im Zeitraum von 1995 - 2004.

Abb. 15: Tagesgang der Blitzdichte in der nördlichen Obersteiermark in Höhenabhängigkeit im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 16: Tagesgang der Blitzdichte im Oberen Murtal in Höhenabhängigkeit im Zeitraum von 1995 - 2004.

Abb. 17: Tagesgang der Blitzdichte im Südoststeirischen Alpenvorland in Höhenabhängigkeit im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 18: Jahreszeitliche Verteilung der Luftmassen im Großraum Graz im Zeitraum von

- 2004

Abb. 19: Häufigkeit der Luftmassen in der Steiermark im Monatsvergleich im Zeitraum von 1995 - 2004.

Abb. 20: Verteilung der Luftmassen in der Steiermark im Sommer im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 21: Anteil der Luftmassen an allen Blitzen in der Steiermark im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 22: Vergleich zwischen der Häufigkeit von Luftmassen in den Sommermonaten und deren Anteil an den Blitzentladungen

Abb. 23: Blitzintensität ausgewählter Luftmassen in den Sommermonaten (1995 – 2004)

Abb. 24: Jahreszeitliche Verteilung der Ostalpinen Wetterlagen im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 25: Verteilung der Ostalpinen Wetterlagen in der Steiermark in den Sommermonaten im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 26: Wetterlagenabhängigkei von Gewittern in der Steiermark in den Sommermonaten im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 27: Blitzintensität ausgewählter Wetterlagen in der Steiermark in den Sommermonaten im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 28: Mittlere jährliche Blitzdichte in der Steiermark im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 29.: Mittlere Blitzdichte im Frühjahr in der Steiermark im Zeitraum von 1995 - 2004 . 55 Abb. 30: Mittlere Blitzdichte im Sommer in der Steiermark im Zeitraum von 1995 - 2004... 56 Abb. 31: Mittlere Blitzdichte im Herbst in der Steiermark im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 32: Mittlere Blitzdichte in der Steiermark bei gemischt geprägter Subtropikluft (xS) im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 33: Mittlere Blitzdichte in der Steiermark bei gradientschwacher Wetterlage im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 34: Mittlere Blitzdichte in der Steiermark bei den Hochdruckwetterlagen H und h im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 35: Mittlere jährliche Zahl der Gewittertage in der Steiermark im Zeitraum von 1995 - 2004 (ALDIS-Blitzdaten, ZAMG)

Abb. 36: Mittlere jährliche Zahl der Gewittertage in der Steiermark im Zeitraum von 1951 - 1970 (nach WAKONIGG 1978)

Abb. 37: Blitzentladungen im Untersuchungsgebiet am 27.06.1998

Abb. 38: Blitzentladungen im Untersuchungsgebiet am 27.06.1998, unterteilt in 20-Minuten- Abschnitte

Abb. 39: Gewitterzugbahnen im Untersuchungsgebiet am 27.06.1998.

Abb. 40: Zugbahnen der Gewitter in der Steiermark im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 41: Häufigkeit der Zugrichtungen von Gewittern in der Steiermark im Zeitraum von 1995 - 2004.

Abb. 42: Zugbahnen der Gewitter in der Steiermark bei gemischt geprägter Suptropikluft (xS) im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 43: Häufigkeit der Zugrichtungen von Gewittern in der Steiermark bei Subtropikluft (xS) im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 44: Zugbahnen der Gewitter in der Steiermark bei gradientschwacher Wetterlage im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 45: Häufigkeit der Zugrichtungen von Gewittern in der Steiermark bei gradientschwacher Wetterlage im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 46: Zugbahnen der Gewitter in der Steiermark bei Subtropikluft (xS) in Kombination mit gradientschwacher Wetterlage (G) im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 47: Häufigkeit der Zugrichtungen von Gewittern in der Steiermark bei gemischt geprägter Subtropikluft (xS) in Kombination mit gradientschwacher Wetterlage (G) im Zeitraum von 1995 - 2004

Abb. 48: Stuvediagramm für die Station Graz-Thalerhof vom 29.08.03

Abb. 49: Blitzentladungen und daraus analysierte Zugbahnen vom 29.08.2003

Abb. 50: Stuvediagramm für die Station Graz-Thalerhof vom 17.07.03

Abb. 51: Blitzentladungen und daraus analysierte Zugbahnen vom 17.07.2003

Abb. 52: Stuvediagramm für die Station Graz-Thalerhof vom 14.06.03

Abb. 53: Blitzentladungen und daraus analysierte Zugbahnen vom 14.06.2003

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Luftmassenkalender für Mitteleuropa nach Manfred GEB

Tabelle 2: Charakteristische Mittelwerte der pseudopotentiellen Temperatur (°C) in 850 hPa für die Luftmassen in Mitteleuropa im Sommerhalbjahr

Tabelle 3: Das System der Ostalpinen Wetterlagen nach LAUSCHER

I. . Einleitung

1. Problemstellung

Seit jeher stellen Gewitter ein beeindruckendes Naturschauspiel dar, die trotz mittlerweile unzähliger wissenschaftlicher Untersuchungen bis heute ein nicht restlos erklärbares und vor allem schwer zu prognostizierendes Naturphänomen geblieben sind. Trotz immer besser werdender Vorhersagemodelle und einem immer dichter werdenden Stationsnetz, aus dessen Daten die Modelle ihre Parameter bekommen, wird die Gewittervorhersage wohl nie hundertprozentig perfekt sein. Obwohl die wichtigsten Gewitter auslösenden Faktoren bekannt sind, ist es vor allem die Genauigkeit der Vorhersage, die den Meteorologen häufig Probleme bereitet. Vor allem bei hochsommerlichen Wärmegewittern ist es extrem schwierig, Ort und Zeitpunkt der Entstehung vorhersagen zu können. Auch die Heftigkeit und Gefährlichkeit von Gewittern ist oft innerhalb kurzer Distanzen sehr variabel. Die gefährlichsten Begleiterscheinungen eines Gewitters wie Hagel und Sturm richten oft nur sehr lokal begrenzte Schäden an.

Als sehr komplex muss auch die Vorhersage der Zugbahnen von Gewittern angesehen werden, da für die Verlagerung von Gewittern nicht immer die Windrichtung der Hauptströmung verantwortlich ist, sondern auch die Windrichtung in niedrigeren Luftschichten einen Einfluss auf die Verlagerungseigenschaften ausüben kann. Vor allem orographische Gegebenheiten spielen in einem vom Relief stark geprägten Gebiet, wie es die Steiermark ist, eine wesentliche Rolle bei der Entstehung und Verlagerung von Gewittern. Gerade deshalb ist es wichtig, bei der Gewittervorhersage zusätzlich zu den Wettermodellen auch auf Erfahrungswerte und Statistiken zurückgreifen zu können.

In diesem Punkt liegt für mich auch die Hauptmotivation für meine Arbeit, da ich hoffe, durch meine Auswertungen auch für die Prognostik neue Erkenntnisse und Hilfestellungen schaffen zu können, denn besonders beim „Now-Casting“ ist es hilfreich zu wissen, welche Zugrichtungen Gewitter in den unterschiedlichsten Regionen der Steiermark häufig einschlagen.

2. Motivation und Zielsetzung

Seit 1992 ist das Österreichische Blitzortungssystem ALDIS (Austrian Lightning Detection and Information System) in Betrieb und seither wird jeder Blitz, der auf den Erdboden des Österreichischen Bundesgebietes trifft, registriert und in einer Datenbank gespeichert. Diese Datenspeicherung funktioniert vollautomatisch und das Ortungssystem ist völlig objektiv. Davor wurden Gewitter von den Beobachtern der Klimastationen registriert und aufgezeichnet. Diese Methode war nicht flächendeckend und auch wesentlich ungenauer, da nur Gewittertage aufgezeichnet wurden, wobei schon ein Blitz bzw. Donner reichte, um in der Statistik einen Gewittertag aufscheinen zu lassen. Die damit verbundenen Probleme sind auch menschlicher Natur, da der eine oder andere Beobachter auch einmal einen Donner überhören konnte.

Da mit Hilfe des Blitzortungssystems ALDIS mittlerweile seit über zehn Jahren alle Blitze registriert werden, ist es auch möglich geworden, statistische Auswertungen durchzuführen. Die Steiermark ist mit rund 40 000 registrierten Blitzen pro Jahr das blitzreichste Bundesland Österreichs. Grund genug, um Blitzstatistiken für die Steiermark durchzuführen. Von Interesse sind dabei vor allem die geographische Verteilung der Blitze, das heißt die unterschiedliche Blitzdichte in der Steiermark, die jahres- und tageszeitliche Verteilung der Gewitter, sowie die Verlagerungseigenschaften von Gewittern.

Solche Untersuchungen und daraus resultierende Statistiken, Karten und Diagramme findet man schon in älterer Literatur, vor allem in „Witterung und Klima in der Steiermark“ (WAKONIGG, 1978), wobei auch hier - wie oben erwähnt - die Datengrundlage von den Aufzeichnungen der Beobachter der Klimastationen stammt. Sehr interessant ist deshalb auch der Vergleich der Ergebnisse meiner Untersuchungen mit Ergebnissen früherer Arbeiten.

II. Hauptteil

1. Grundlagen der Gewitterklimatologie

1.1. Definition von Gewittern

„Gewitter sind mit luftelektrischen Entladungen (Blitz) und Donner verbundene komplexe meteorologische Erscheinungen. Sie werden meistens von kräftigen Regen- oder Schneeschauern begleitet. Manchmal treten sie in Verbindung mit Hagelschauern, böigen Winden und in seltenen Fällen auch mit Tornados auf. Starke Gewitter werden auch als Unwetter bezeichnet.“ (http://de.wikipedia.org/wiki/Gewitter, Juni 2006)

1.2. Arten von Gewittern und deren Entstehung

Nach den meteorologischen Bedingungen werden vier Hauptarten von Gewittern unterschieden: Luftmassengewitter, Frontale Gewitter, Orographische Gewitter und Gewitter, die durch Konvergenz verursacht werden. (nach LILJEQUIST 1984, zitiert bei KANN, 2001, S. 8)

Luftmassengewitter treten innerhalb einer einheitlichen Luftmasse auf und werden auch als Wärmegewitter bezeichnet. Die Entstehung dieser Art von Gewittern beruht auf dem Prinzip der Konvektion, das vor allem durch die unterschiedliche Erwärmung der Erdoberfläche bei starker Sonneneinstrahlung in Gang gesetzt wird. Zur Auslösung von Gewittern kommt es dabei bevorzugt dann, wenn zusätzlich zu diesen konvektiven Prozessen eine feuchtlabile Schichtung der Atmosphäre vorherrscht. Wärmegewitter entwickeln sich meist im Laufe der Nachmittagsstunden und können sehr lokal begrenzt auftreten.

Frontgewitter treten zumeist in Verbindung mit Kaltfronten auf, können jedoch auch Begleiterscheinungen von Warmfronten sowie Okklusionen sein. Im Gegensatz zu Luftmassengewittern sind sie an keine Tageszeiten gebunden, die Bildung von Frontgewittern wird jedoch durch zusätzliche konvektive Prozesse am Nachmittag begünstigt. Durch die starke Neigung der Frontfläche in Bodennähe sorgen Hebungsvorgänge der Warmluft für Cumulonimbusbildung und in weiterer Folge für die Entstehung von Gewittern. Häufig kann

präfrontal auch eine starke Labilisierung der Luft auftreten, was vor allem dann der Fall ist, wenn sich die in der Höhe vorauseilende Kaltluft einer Kaltfront über warme, feuchte Luft schiebt und so Instabilität hervorruft. Die dadurch entstehenden konvektiven Wolkenkomplexe sind oft linienförmig angeordnet und werden auch „Squall lines“ genannt (nach SMULL and HOUZE, 1987; ROTUNNO et al., 1988; MEISCHNER et al., 1991, zitiert bei KANN, 2001, S. 8).

Bei orographischen Gewittern strömen feuchte und warme Luftmassen gegen einen Berg oder ein Gebirge, wodurch die Luft angehoben und adiabatisch abgekühlt wird. Bei entsprechend hoher Luftfeuchtigkeit kommt es zu Kondensationsvorgängen und zur Wolkenbildung, die gewittrige Formen annehmen kann.

Die letzte hier erwähnte Gewitterart entsteht durch Konvergenz in bodennahen Schichten, wobei in diesem Fall die Luft ebenfalls gehoben wird, was bei ausreichender Labilität zur Gewitterauslösung führen kann. Derartige Gewitter treten häufig dann auf, wenn ein Gebirge umströmt wird und auf der Leeseite an der dort entstandenen Konvergenzzone Luft zum Aufsteigen gezwungen wird.

1.3. Blitzphysik

Die folgenden Erklärungen zu den wesentlichen blitzphysikalischen Prozessen entstammen großteils der Homepage des österreichischen Blitzortungssystems ALDIS (www.aldis.at).

Die Blitzentladung hat ihren Ursprung in der elektrisch geladenen Gewitterwolke, wobei der genaue Mechanismus der Ladungstrennung innerhalb der Gewitterwolke bis heute nicht vollständig geklärt ist. Im Wesentlichen wird zwischen der mikroskopischen Ladungstrennung an den Niederschlagspartikeln und der makroskopischen Ladungstrennung innerhalb der Gewitterwolke unterschieden. Es wird davon ausgegangen, dass in der Wolke zwei Ladungszentren vorliegen, wobei in den oberen Regionen der Wolke positive Ladungen auf Eiskristallen und in den unteren Regionen negative Ladungen auf Wassertröpfchen zu finden sind. An der Wolkenuntergrenze finden sich meist noch geringe Mengen positiver Ladung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Typische Ladungsverteilung innerhalb einer Gewitterwolke

Eine übliche Einteilung der Blitzentladungen erfolgt nach der Polarität der vom Blitz aus der Wolke abgeführten Ladung und nach der Vorwachsrichtung des Leitblitzes, der im Folgenden noch näher beschrieben wird. Diese Form der Einteilung wurde von einem der Pioniere der moderneren Blitzforschung, Prof. BERGER, vorgeschlagen. Die am ausführlichsten untersuchte Entladungsform stellt der negative Wolke-Erde Blitz (negativer Abwärtsblitz) dar, da mehr als 90% aller Blitze diesem Typus entsprechen und diese Form der Entladung daher auch für Fragen des Blitzschutzes grundlegende Bedeutung hat.

Der negative Abwärtsblitz wird häufig durch so genannte Vorentladungen innerhalb der Gewitterwolke eingeleitet. Auch wenn über den genauen physikalischen Vorgang und die Lokalisierung der genannten Vorentladungen noch Unklarheit herrscht, so wird angenommen, dass durch diese Vorentladungen Ladungsverschiebungen innerhalb der Wolke stattfinden. Diese Ladungsverschiebungen dürften ihrerseits zu einer entsprechenden Ladungskonzentration und in der Folge zur Initialisierung des ersten Leitblitzes führen.

Der erste Leitblitz wächst mit mehr oder weniger starker Verästelung in Ruckstufen von der Wolke in Richtung Erde (abwärts), wobei die einzelnen Stufen Längen von 10 m bis 200 m aufweisen und eine mittlere Vorwachsgeschwindigkeit von 0,1 bis 3 m/µs beobachtet wird. Die Pausenzeiten zwischen den Ruckstufen liegen im Bereich von 37 bis 124 µs. Nähert sich der negativ geladene Leitblitzschlauch dem Erdboden, so steigt dadurch an der Spitze exponierter Objekte (z.B. Türme, Bäume, Häuser) die elektrische Feldstärke rasch an, bis die Durchbruchfeldstärke von Luft überschritten wird. In der Folge starten von diesen Objekten Fangentladungen, die dem "Kopf" des Leitblitzes entgegen wachsen. Es ist dabei durchaus möglich, dass gleichzeitig Fangentladungen von mehreren Objekten ausgehen. Der tatsächliche Einschlagspunkt am Boden wird durch jene Fangentladung bestimmt, die als erstes mit dem Leitblitzkopf zusammentrifft und damit eine durchgehende Verbindung zwischen dem geladenen Leitblitzschlauch und dem Erdboden herstellt. Die Länge dieser Fangentladungen, auch als Enddurchschlagstrecke bezeichnet, liegt im Bereich von einigen dkm. Sowohl theoretische Überlegungen als auch Experimente zeigen, dass die Länge der Fangentladung mit steigender Blitzstromamplitude zunimmt. Die Enddurchschlagstrecke ist von grundlegender Bedeutung für die Dimensionierung von Blitzschutzanlagen. Das so genannte "Blitzkugelverfahren" zur Bestimmung des Schutzbereiches von Fangvorrichtungen einer Blitzschutzanlage basiert auf dem genannten Zusammenhang zwischen Ladungskonzentration im Leitblitzkanal und der daraus resultierenden Länge der Fangentladung.

Nach dem Zusammentreffen von Leitblitzkopf und Fangentladung beginnt die Hauptentladung, jener Prozess, der schlechthin als Blitz bezeichnet wird. Sie nimmt ihren Ausgang am Einschlagpunkt und pflanzt sich mit einer mittleren Geschwindigkeit von 130 m/µs in Richtung Wolke fort. Am Einschlagspunkt tritt der bekannte impulsförmige Strom mit einer Amplitude von einigen 1 000 A bis zu einigen 100 000 A auf. Die mittlere Anstiegszeit des Stromes vom 2 kA - Wert bis zum Maximalwert liegt bei 5,5 µs. Während der Hauptentladung wird in erster Linie die im Leitblitzschlauch gespeicherte negative Ladung zur Erde abgeführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Die drei wesentlichen Phasen einer Blitzentladung

In Abb. 2 stellt die Skizze A den Leitblitz, Skizze B die Fangentladung und Skizze C die Hauptentladung schematisch dar.

Ein uns allen bekanntes Phänomen, das mit dem Blitz in enger Verbindung steht, ist der Donner. Bei der elektrischen Entladung werden innerhalb des Blitzkanals Temperaturen von über 30 000°C erreicht. Diese plötzliche und enorm starke Erwärmung führt zu einer explosionsartigen Ausdehnung der Luft, es entsteht eine Stoßwelle, die in der Nähe des Blitzes als lauter Knall wahrgenommen wird, während der Donner in größerer Entfernung als uns besser bekanntes polterndes Geräusch auftritt. Die Erklärung dafür liegt in der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalls von 330 m/s (Schallgeschwindigkeit), wodurch vom Empfänger der Knall zeitlich versetzt gehört wird. Zusätzlich sind hier noch die Länge des Blitzkanals sowie Unregelmäßigkeiten durch Reflexion maßgeblich. Blitzentladungen innerhalb von Wolken gehen meist mit einem mehr gedehnten und weniger explosionsartigen Geräusch einher. Dies hängt zum einen von der Entfernung, zum anderen von den unterschiedlichen Strukturen im Aufbau der beiden Blitzformen ab (KANN, 2001).

1.4. Blitzarten

Prinzipiell werden die verschiedenen Blitztypen nach den unterschiedlichen Entstehungsorten und Einschlagspunkten eingeteilt. Dabei lassen sich drei Hauptarten unterscheiden:

- Wolke-Erde-Blitze,
- Wolke-Wolke-Blitze
- Blitze, die von einer Wolke in die freie Atmosphäre reichen.

Im Durchschnitt treten drei- bis viermal so viele Blitze innerhalb von Wolken als zwischen Wolken und der Erde auf, wobei Wolke-Wolke-Blitze hauptsächlich im Entwicklungsstadium einer Gewitterwolke vorkommen (nach WILLIAMS et al., 1989, zitiert aus KANN, 2001, S.7).

Zusätzlich zu dieser räumlichen Zuordnung unterscheidet man Wolke-Erde-Blitze auch nach der Polarität der abgeführten Ladung sowie nach der Fortpflanzungsrichtung des Blitzes. Negative Wolke-Erde-Blitze pflanzen sich von der Wolke zur Erdoberfläche fort und führen mehr negative Ladungsträger zu Boden als positive. Negative Erde-Wolke-Blitze wachsen vom Erdboden zur Wolke und führen zu einer Zunahme negativer Ladungen innerhalb der Wolke. Positive Erde-Wolke-Blitze wiederum pflanzen sich vom Erdboden in Richtung Wolkenuntergrenze fort und führen positive Ladungen zur Wolke ab.

Als häufigste Form treten negative Wolke-Erde-Blitze in der Natur auf, im Sommer werden sogar mehr als 90% aller Blitze als solche identifiziert, wohingegen bei den seltenen Wintergewittern der Anteil positiver Wolke-Erde-Blitze teilweise auf über 50% steigt (nach BROOK et al., 1982, zitiert aus KANN, 2001, S.7). ORVILLE et al. (zitiert aus KANN, 2001, S.7) fanden 1987 heraus, dass etwa 80% aller Blitzentladungen im Osten der Vereinigten Staaten im Februar 1985 positive Wolke-Erde-Blitze waren, in den Sommermonaten hingegen betrug dieser Anteil nur wenige Prozent. Diese Art von Blitzen entsteht häufig auch dann, wenn durch starke vertikale Windscherung eine Trennung der Ladungsträger erfolgt. Die Influenzwirkung sorgt dafür, dass sich der darunter liegende Boden negativ auflädt. Auch im Endstadium eines Gewitters wird ein erhöhter Anteil positiver Wolke-Erde-Blitze festgestellt (nach BRANICK et al., 1992, zitiert aus KANN, 2001, S.7). Die äußerst selten auftretenden Erde-Wolke-Blitze sind noch nicht ausreichend erklärbar und bedürfen weiterer wissenschaftlicher Forschung. Die elektrischen Entladungen können auch verschiedene Formen annehmen: Linienblitze, Flächenblitze, Perlschnurblitze sowie Kugelblitze.

Wichtig zu erwähnen ist, dass das im nächsten Kapitel behandelte Blitzortungssystem ALDIS nur Wolke-Erde-Blitze erfasst, nicht jedoch Wolke-Wolke-Blitze.

2. Die Blitzortung in Österreich

2.1. ALDIS

Seit der Inbetriebnahme im Jahr 1992 dient das österreichische Blitzortungssystem ALDIS (Austrian Lightning Detection & Information System) zur Erfassung der Gewitteraktivität im gesamten österreichischen Bundesgebiet. Die erfassten Blitzdaten werden in einer Datenbank gespeichert. Das System ist ein Gemeinschaftsprojekt des Österreichischen Verbandes für Elektrotechnik (ÖVE), des Verbundes und der Siemens AG Österreich.

2.1.1. Die Funktionsweise

Die Funktionsweise der Blitzortung beruht auf Untersuchungen von US-amerikanischen Forschern, die bereits in den Siebziger Jahren entdeckten, dass Wolke-Erde-Blitze durch spezifische Merkmale der elektromagnetischen Strahlung von der Strahlung der Umgebung zu unterscheiden sind (nach UMAN, 1987, zitiert aus KANN, 2001, S. 9). Die abgesendete elektromagnetische Strahlung eines Wolke-Erde-Blitzes bildet somit die Grundlage der räumlichen und zeitlichen Erfassung eines Blitzes.

Die Grundkonfiguration eines Blitzortungssystems, zu denen das Austrian Lightning Detection and Information System (ALDIS) zählt, besteht aus folgenden Komponenten (nach DIENDORFER Et. Al., 1992, zitiert aus KANN, 2001, S.9):

- den IMPACT-Sensoren zur Bestimmung des Feldeinfallswinkels und des exakten Ereigniszeitpunktes
- dem Lightning Processor (LP2000) zur Berechnung des Einschlagpunktes
- einem Display System zur graphischen Darstellung der Blitz- bzw. Gewitteraktivität

Der IMPACT-Sensor ermittelt dabei den Einfallswinkel des Blitzfeldes mittels Magnetic Direction Finding, sowie den Zeitpunkt des Auftreffens des Blitzfeldes mit einer zeitlichen Auflösung von mehr als 300 Nanosekunden. Das Messprinzip eines IMPACT-Sensors besteht darin, dass zwei orthogonal stehende magnetische Antennen die Nord-Süd- bzw. die Ost- West Komponente des magnetischen Feldes (B-Feld) messen. Eine magnetische

Plattenantenne misst zusätzlich die Polarität des Blitzes. Bildet man das Verhältnis der Signale der beiden magnetischen Antennen, so kann man den Einfallswinkel des Blitzfeldes bestimmen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Prinzip der Winkelbestimmung (Magnetic Direction Finding) (www.aldis.at)

Um einen Wolke-Erde-Blitz eindeutig als solchen identifizieren zu können, ist es zusätzlich notwendig, elektromagnetische Störimpulse herauszufiltern. Solche Störimpulse können zum einen natürliche Quellen haben (z. B. Wolke-Wolke-Blitze), als auch vom Menschen verursacht werden (Hochspannungsleitungen, Motorzündungen oder Fernmeldesender). Um diese Störsignale von den tatsächlichen Blitzeinschlägen zu trennen, wurde ein Verfahren entwickelt, das einen Wolke-Erde-Blitz aufgrund mehrerer charakteristischer Merkmale des elektromagnetischen Feldes erkennt. Die wichtigsten von diesem so genannten „Waveform Discrimination“-Verfahren untersuchten Merkmale sind die Anstiegszeit, die Pulsbreite sowie das Verhältnis zwischen elektrischem und magnetischem Feld. Ein Wolke-Erde-Blitz wird dann als solcher registriert, wenn mehrere dieser Merkmale eindeutig erfüllt sind. Zur exakten Zeitbestimmung des Eintreffens des Blitzfeldes bei den Sensoren werden Uhren verwendet, die jede Sekunde mit Hilfe der GPS Satelliten untereinander synchronisiert werden. Damit kann der Zeitfehler zwischen den Sensoren kleiner als 300 Nanosekunden gehalten werden.

Erkennt nun ein Sensor aufgrund dieser charakteristischen Merkmale eindeutig einen Blitz, so überträgt er die Daten, die mit einer exakten Zeitmarke versehen werden, zu einem Rechner, dem Lightning Processor (LP2000). Dieser LP2000 gruppiert daraufhin alle erhaltenen Daten, die zum selben Blitzschlag gehören. Werden von mindestens zwei IMPACT-Sensoren die Daten für einen Blitzeinschlag übermittelt, so wird der Einschlagpunkt bestimmt. Neben den Koordinaten des Einschlagpunktes speichert der LP2000 auch Angaben zur Uhrzeit, Polarität (positiv/negativ), Blitzstromamplitude (in kA), Anstiegszeit des Feldimpulses sowie zur Pulsbreite des Feldimpulses.

Bei der Berechnung des Einschlagpunktes gibt es verschiedene Methoden, wobei die zur Anwendung kommende Methode von der Anzahl der verfügbaren Sensormeldungen und von der Lage des Blitzes relativ zu den Sensoren abhängt. Prinzipiell wird versucht, aus den zur Verfügung stehenden Sensorinformationen ein Optimum an Ortungsgenauigkeit und Ortungseffizienz (Detection Efficiency) zu erreichen. Die am häufigsten verwendeten Methoden beruhen auf verschiedenen Prinzipien:

- Methode a) Optimierung auf Basis der Zeit- und Richtungsinformation
- Methode b) Optimierung auf Basis der Richtungsinformation
- Methode c) Triangulation

Bedingt durch die relativ großen Abstände von bis zu mehreren hundert Kilometern zwischen den Messstellen ist es generell erforderlich, alle Ortungsberechnungen auf Basis der sphärischen Geometrie durchzuführen

Methode a) kommt dann zum Einsatz, wenn von zumindest zwei Sensoren Zeit- und Richtungsangaben des Blitzsignals vorhanden sind. Da zur Ortsbestimmung grundsätzlich nur zwei Richtungen notwendig wären, ist das Gleichungssystem überbestimmt und es wird der Einschlagsort des Blitzes unter Anwendung eines Verfahrens zur Minimierung der Summe der Fehlerquadrate (Optimierungsverfahren) berechnet. Im ALDIS werden fast alle Blitze nach diesem Verfahren lokalisiert.

Nur in Ausnahmefällen, wenn z.B. keine ausreichend genaue Zeitinformation zur Verfügung steht, kommt eines der beiden anderen Verfahren zur Anwendung.

Methode b) kommt zum Einsatz, wenn von mindestens drei Sensoren nur die Richtung bestimmt wird, weil z.B. keine Synchronisation durch das GPS Signal erfolgte und daher die Zeitinformation nicht in ausreichender Qualität verfügbar ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Optimierung nur mit Richtungsinformation

Methode c) wird dann verwendet, wenn für die Blitzortung nur mehr zwei Richtungspeilungen und keine exakten Zeiten zur Verfügung stehen. Bei diesem Verfahren stellt der Schnittpunkt der beiden Peilgeraden den Einschlagsort dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Ortung durch Triangulation

Die bei einem einzelnen Blitzschlag erreichbare Ortungsgenauigkeit hängt von einer Reihe von Einflussfaktoren ab, wie z.B. der Anzahl der beteiligten Sensoren, der Distanz des Einschlagpunktes zu den Sensoren oder dem statistischen Fehler bei der Winkel- und Zeitmessung. Für die Gesamtheit aller in Österreich georteten Blitzeinschläge kann eine durchschnittliche Genauigkeit von besser als einem Kilometer angenommen werden.

Das Blitzortungssystem ALDIS umfasst insgesamt acht IMPACT-Sensoren, die gleichmäßig über Österreich verteilt sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: Aufstellungsorte der Direction Finder in Österreich

Aus der obigen Abbildung geht hervor, dass das Sensornetzwerk das Bundesgebiet gut abdeckt. Darüber hinaus wurde bei der Aufstellung jedoch auch darauf geachtet, dass sich die störenden Einflüsse in der Umgebung in Grenzen halten. Jeder elektromagnetische Impuls, der einen gewissen Schwellwert überschreitet, wird registriert und überprüft. Dabei wird nach den oben genannten Merkmalen entschieden, ob es sich um einen Wolke-Erde-Blitz handelt oder nicht. Während der Zeit, in der der Sensor entscheidet, ob es sich um ein Störsignal oder um einen wahren Blitz handelt, können keine weiteren Signale aufgenommen werden. Das bedeutet, dass innerhalb dieser Zeitspanne, die mit etwa 300 µs allerdings sehr kurz ist, theoretisch ein echtes Blitzsignal verloren gehen könnte.

Die Sensoren haben einen mittleren Empfangsbereich von ungefähr 400 km, was bedeutet, dass sich das Netzwerk aufgrund der hohen Dichte der Sensoren durch eine hohe Redundanz bei der Erfassung der Entladungen innerhalb Österreichs auszeichnet. Das heißt, dass ein großer Teil der Blitze von vier oder mehr Sensoren registriert wird. Diese hohe Redundanz sorgt auch dafür, dass ein Ausfall eines Sensors meist kompensiert werden kann.

Das ALDIS-Netzwerk ist auch Teil des europäischen Blitzortungs-Netzwerkes EUCLID (European Cooperation for Lightning Detection), wobei alle Sensoren der Nachbarländer Österreichs mittlerweile in das ALDIS- Netzwerk integriert worden sind und dabei helfen, die hohe Datenqualität zu sichern und noch weiter zu verbessern.

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Abb.7: Sensorstandorte des EUCLID Netzwerkes

Im EUCLID-Netzwerk sind verschiedene Sensor-Typen zur Erfassung der Blitze im Einsatz, wobei die Funktionsweisen im Großen und Ganzen gleich sind. In Abb. 7 sind den einzelnen Sensor-Typen unterschiedliche Farben zugeordnet.

Ein wesentliches Kriterium der Datenqualität ist die so genannte „Detection Efficiency“, die angibt, wie viel Prozent aller Blitze vom jeweiligen Ortungssystem wirklich registriert werden. Der angegebene Prozentsatz ist natürlich nur theoretisch zu sehen, die hohe Dichte an Sensoren in Österreich lässt jedoch vermuten, dass die „Detection Efficiency“ hoch ist. Man geht davon aus, dass sie im Großteil Österreichs mindestens 90% beträgt, und nur im äußersten Westen (Vorarlberg, westliches Tirol) etwas geringer ist. Der Grund für die Abnahme der „Detection Efficiency“, die mit der Zunahme des Abstandes der Sensoren zusammenhängt, liegt darin, dass Blitze, die nur ein schwaches elektromagnetisches Signal liefern, mit zunehmender Entfernung den Schwellwert, der für die Registrierung durch einen Sensor überschritten werden muss, nicht mehr erreichen.

3. Blitzstatistik in der Steiermark

3.1. Geschichte

Seit 1890 wird im österreichischen meteorologischen Dienst die Anzahl der Gewittertage registriert. Ein Gewittertag wird dabei als solcher klassifiziert, wenn zumindest ein Blitz gesehen oder ein Donner gehört wird. Die damit verbundene Problematik der Subjektivität dieser Klassifikation und Aufzeichnung liegt auf der Hand. Nicht nur die Tatsache, dass der eine oder andere Beobachter durchaus einmal einen Blitz oder einen Donner verpassen kann, sondern auch die nicht gleichmäßig verteilte Stationsdichte führt zu einer gewissen Ungenauigkeit bzw. zu einem Datenverlust in der Erfassung der Gewittertage. So spielt zum Beispiel die geographische Lage der Beobachtungsstation insofern eine entscheidende Rolle, als das Erfassen eines Blitzes in dicht bebautem Gebiet wesentlich schwieriger ist als am vergleichsweise ruhigeren Land. Auch die persönliche Aufmerksamkeit der Beobachter unterliegt Schwankungen. Trotz dieser nicht völlig objektiven Gewitterbeobachtung bilden die Aufzeichnungen über die Gewittertage doch eine sehr gute Grundlage für die Darstellung der Verteilung der Gewittertätigkeit in Österreich und in der Steiermark. Die mittlere jährliche Zahl der Gewittertage wird in so genannten Isokaunenkarten dargestellt.

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Abb.8: Mittlere jährliche Zahl der Gewittertage (1951 – 1970), (W AKONIGG , 1978)

Bei seiner Darstellung über die mittlere jährliche Zahl der Gewittertage weist WAKONIGG auf die bereits vorhin genannten Probleme der Unzuverlässigkeit der Daten hin, wobei er vor allem das lockere Stationsnetz sowie die Problematik der Reduktion von Daten bei längeren Zeiträumen anspricht. Aus der Darstellung geht das südöstliche Alpenvorland mit über 35 und zum Teil sogar über 40 Gewittertagen pro Jahr als gewitterreichste Region der Steiermark hervor, wobei vor allem der äußerste Südwesten heraussticht. Gegen Osten und noch eindeutiger gegen Nordwesten nehmen die Häufigkeiten ab und erreichen im Ennstal ein Minimum.

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