Bannerwolken

Arbeitsgruppe

Prof. Dr. Volkmar Wirth

Isabelle Prestel
Mathias Haak

Dynamik orographischer Bannerwolken

Definition

Bannerwolken sind Wolken, die sich im Lee von steilen Bergen oder scharfen Graten bilden. Man beobachtet sie zum Beispiel an der Zugspitze oder am Matterhorn (siehe Abb. 1). Eine detaillierte Definition für den Begriff ”Bannerwolke” wird von Schween et al. (2007) vorgeschlagen.

Die 4 Kriterien, die dabei eine Bannerwolke erfüllen muss, lauten:

  • Die Wolke soll nur im Lee des Berges auftreten und dort den Berg berühren.
  • Die Wolke soll nicht aus verblasenen Schneekristallen bestehen.
  • Die Wolke soll persistent sein.
  • Die Wolke soll nicht primär konvektiven Charakter haben.

Bisherige Arbeiten

Im Rahmen eines früheren DFG-geförderten Projektes und in Zusammenarbeit mit dem Meteorologischen Institut München wurden erste systematische Beobachtungen an der Zugspitze durchgeführt (Wirth et al. 2012). Es zeigte sich, dass an diesem Berg Bannerwolken sowohl einen ausgeprägten Tagesgang, als auch einen Jahresgang (siehe Abb. 2) haben. Da die Tage und damit die Beobachtungszeit in den Sommermonaten deutlich länger ist als in den Wintermonaten, ist es nicht verwunderlich, dass dieses Histogramm im Sommer ein Maximum und in Winter ein Minimum aufweist. Um diesen Effekt mit zu berücksichtigen, wurde die gleiche Anzahl von Ereignissen gemäß der täglichen Beobachtungsdauer verteilt (helles Hintergrundhistogramm). Man erkennt, dass dieser Effekt also nur einen Teil des Jahresgangs der Bannerwolken erklärt. Mit anderen Worten: Nicht nur die Wahrscheinlichkeit, eine Bannerwolke zu sehen ist im Sommer größer als im Winter, sondern auch die Wahrscheinlichkeit, dass eine Bannerwolke existiert.

Zusätzlich treten Bannerwolken für nahezu jede Anströmgeschwindigkeit auf, jedoch wird eine Südostanströmung bevorzugt. Es konnte auch festgestellt werden, dass sich die Temperaturen im Luv und Lee des Berges während eines Bannerwolkenereignisses deutlich unterscheiden (siehe Abb. 3). Man erkennt, dass genau während des Auftretens der Bannerwolke die Luft im Lee (d.h. die Wolkenluft) deutlich wärmer ist als die (wolkenfreie) Luft im Luv.

Neben diesen Beobachtungen wurden auch numerische Grobstruktur-Simulationen durchgeführt, um die Strömung um einen idealisierten Berg zu simulieren. In der Arbeit von Reinert und Wirth (2009) wurden eine Reihe von Sensitivitätsstudien analysiert, wobei verschiedene realitätsnahe Profile von Wind und Stabilität verwendet wurden sowie eine gleichseitige Pyramide als Orographie. Die Autoren fanden heraus, dass die Bildung von Bannerwolken durch hohe und spitze Berge begünstigt wird. Zusätzlich wurde gezeigt, dass die Freisetzung latenter Wärme innerhalb der Wolke und Schwerewellen oberhalb des Berges die Strömung zwar modifizieren, aber nicht fundamental verändern.

Eine neuere Arbeit (Voigt und Wirth, 2013) untersucht die verschiedenen Entstehungsmechanismen im Rahmen von weiteren numerischen Simulationen. Es zeigte sich, dass die Hebung im Leewirbel mit großer Wahrscheinlichkeit der wichtigste Mechanismus für die Bildung einer Bannerwolke ist (siehe Abb. 4). Man erkennt, dass die Luft im Lee eine deutlich stärkere Hebung erfahren hat, seit sie das Modellgebiet betreten hat, als die Luft im Luv des Berges. Dies legt nahe, dass eine Wolke eher im Lee als im Luv auftreten sollte, weil Hebung der Luft die Wolkenbildung begünstigt.

Ziele

Die bist jetzt durchgeführten Simulationen stellen jedoch starke Vereinfachungen dar, vor allem hinsichtlich der Form des Berges. Es sollen daher weitere Simulationen erfolgen, die eine realistische Orografie betrachten. Damit wird es möglich, die Modellsimulationen mit den eigenen Beobachtungen von der Zugspitze zu vergleichen. Zudem soll geklärt werden, in welchen Strömungsregimes mit Bannerwolken gerechnet werden kann.

Quellen

Schween, J. H., J. Kuettner, D. Reinert, J. Reuder, and V. Wirth, 2007:
Definition of ”banner clouds” based on time lapse movies.
Atmos. Chem. Phys., 7, 2047-2055.

Reinert, D. and V. Wirth, 2009:
A new LES model for simulating air flow and warm clouds above highly complex terrain. Part II: The moist model.
Boundary Layer Meteorology, 133, 113-136.

Wirth, V., M. Kristen, M. Leschner, J. Reuder, and J. H. Schween, 2012:
Banner clouds observed at Mount Zugspitze.
Atmos. Chem. Phys., 12, 3611-3625.

Voigt, M., and V. Wirth, 2013:
Mechanisms of Banner Cloud Formation.
J. Atmos. Sci., submitted.

Abbildung 1: Bannerwolke am Matterhorn. Die Anströmung des Berges erfolgt von rechts.
(Quelle: Wolkenatlas von Bob Houze)

Abbildung 2: Jahresgang des Auftretens von Bannerwolken an der Zugspitze. Die dunklen Balken geben an, wie viele Bannerwolkenereignisse jeden Monat beobachtet wurden,
Fehlerbalken quantifizieren die statistische Unsicherheit.
(Quelle: Wirth et al. 2012)

Abbildung 3: Verlauf der Temperatur am Zugspitzgrat während eines Tages im Oktober 2005. Die rote Linie repräsentiert die Verhältnisse im Luv, die blaue diejenigen im Lee des Grates. Der Zeitraum des Bannerwolkenereignisses ist grau hinterlegt.
(Quelle: Wirth et al. 2012)

Abbildung 4: Lagrangesche vertikale Verschiebung der Luft (Farbe, in m) und Strömung (Pfeile) für die zeitlich gemittelten Verhältnisse bei der Umströmung einer Pyramide.
(Quelle: Voigt und Wirth 2013)