Verhagelte Vorhersagen

Der Deutsche Wetterdienst zum Beispiel betreibt 17 große Radaranlagen, die über Deutschland verteilt sind und große Gewitter nahtlos verfolgen können. Diese modernen Dual-Pol-Radare senden doppelte Radarsignale aus – in einer horizontalen und in einer senkrechten Linie, also mit zwei sogenannten Polarisationsrichtungen. Damit können sie die Breite und Höhe von Gewitterwolken sehr gut erfassen – auch von Wolken, die sich hoch auftürmen und Hagel produzieren können. Zudem verrät das Radar, ob in einem Gewitter gerade Regen, Graupel oder tatsächlich Hagel entsteht, weil die beiden unterschiedlich polarisierten Radarwellen an Wassertropfen, kleinen Graupelkörnchen und an größeren Hagelkörnern unterschiedlich stark gestreut werden.

Anhand der Regenradarbilder lässt sich auch erkennen, wohin ein hagelträchtiges Gewitter vermutlich ziehen wird. „Doch für eine präzise Hagelwarnung reicht das nicht“, sagt Michael Kunz, „weil wir nicht genau wissen, ob tatsächlich Hagel fällt, und falls ja, wo das exakt sein wird und wie groß die Hagelkörner sind, wenn sie am Boden ankommen.“

Den Hagelforschern fehlen vor allem Beobachtungsdaten: genaue Informationen darüber, ob ein Gewitter Hagel produziert hat oder nicht. „Wenn ein Hagelschauer keine Zerstörungen angerichtet hat, wird er nicht gemeldet und auch nicht von den Wetterdiensten erfasst“, sagt Kunz. „Wir wissen also viel zu wenig darüber, wann welcher Gewittertyp Hagel erzeugt.“ Außerdem sei unklar, unter welchen Bedingungen kleine oder große Hagelkörner entstehen.

Viele Daten von Versicherungen

Die verlässlichsten Hagelinformationen kommen bislang von den Versicherungen. Sie wissen im Detail, wann und wo ein schwerer Hagelschauer niedergegangen ist, der Schäden angerichtet hat. Doch wenn ein Hagelschauer auf unbewohntes Terrain trifft, erfahren die Wetterforscher meist nichts davon. Und so war das Sammeln von Hageldaten bislang ausgesprochen aufwendig. Den Forschern blieb nichts anderes übrig, als auf Hausdächern oder an Wetterstationen „Hailpads“ zu montieren: Platten aus weichem Styropor, in denen Hagelkörner Dellen hinterlassen.

Nach einem Hagelschauer werden die Hailpads eingesammelt und fotografiert. Eine Bildanalyse-Software errechnet dann, wie groß und schwer die Hagelkörner waren. „Die Größenverteilung der Hagelkörner liefert uns wertvolle Hinweise darauf, was im Inneren einer solchen Wolke geschieht“, sagt Michael Kunz.

Allerdings ist es zeitraubend, die Platten zu montieren und wieder einzusammeln. Außerdem muss man ständig ein Auge auf das Wetter haben, um die Platten gleich nach einem Hagelschauer einsammeln zu können. In Frankreich, Spanien und Italien gibt es größere Netzwerke mit Hagelplatten. Hier wollen vor allem Weinbauern und Landwirte mehr über den Hagel erfahren. In Deutschland werden Hailpads dagegen nicht systematisch genutzt. Und in der Schweiz wurden Hailpads zwar aufgestellt, aber sie gingen nie in den operationellen Betrieb.

Seit 2015 gibt es in der Wetter-App des staatlichen Wetterdienstes MeteoSchweiz eine Hagel-Meldefunktion. Dort können Nutzer ihren Standort und auch die Größe der Hagelkörner eingeben. „Bis heute haben wir etwa 60.000 Hagelmeldungen erhalten“, berichtet die schweizerische Hagelexpertin Olivia Romppainen-Martius, die das Projekt wissenschaftlich begleitet. „Das ist ein wertvoller Datensatz, der uns helfen wird, die Hagelvorhersage zu verbessern.“

Ein Warndienst mit Hagelinfos

MeteoSchweiz bietet schon seit Längerem einen Gewitterwarndienst mit Hagelinformationen an. Der Wetterdienst nutzt dafür Messdaten aus seinen Wetterradaren, die zwei wichtige Größen liefern: zum einen die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Hagelschauer in einem bestimmten Gebiet auftritt (Probability of Hail, POH), und zum anderen die zu erwartende maximale Größe der Hagelkörner MESHS (Maximum Expected Severe Hail Size).

Doch auch die Schweizer haben das Problem, dass die Vorhersagen nicht genau genug sind. Der POH-Wert ist schon recht zuverlässig, doch die Korngrößenabschätzung der MESHS-Werte muss noch optimiert werden. Deshalb hat MeteoSchweiz bisher darauf verzichtet, Hagel-Warnmeldungen automatisch an die Nutzer der Wetter-App zu senden. Die Meteorologen prüfen die POH- und MESHS-Werte auf Plausibilität, bevor sie diese über die Wetter-App herausgeben. „Mit den Hagelmeldungen aus der Bevölkerung wollen wir die POH- und MESHS-Algorithmen weiter optimieren“, sagt Olivia Romppainen-Martius, die eine Forschungsgruppe an der Universität Bern leitet, finanziert von der schweizerischen Mobiliar-Versicherung.

Weiße Flecken füllen

„Doch die Daten decken leider nicht das ganze Land ab“, räumt Romppainen-Martius ein. „Sie stammen vor allem aus den dicht besiedelten Regionen der Schweiz. Für andere Gebiete liegen uns kaum Meldungen vor.“ Diese weißen Flecken wollen Olivia Romppainen-Martius und ihre Kollegen jetzt füllen. Bis Ende 2020 wird in der Schweiz ein vollautomatisches Hagelmessnetz aufgebaut sein. Statt Hailpads aus Styropor kommen intelligente Sensoren zum Einsatz: sogenannte HailSens-Hagelsensoren. Sie bestehen aus einer runden Kunststoffscheibe, in deren Mitte der Sensor sitzt. Der errechnet aus den beim Aufprall erzeugten Schwingungen automatisch die Größe der Hagelkörner. Das Netzwerk besteht aus 80 Messgeräten, die vor allem an Hagel-Brennpunkten aufgestellt sind.

Der Karlsruher Wetterrisiko-Experte Michael Kunz und die Berner Klimaforscherin Olivia Romppainen-Martius arbeiten eng zusammen. Kunz hat die HailSens-Idee aus der Schweiz übernommen und an zehn Orten in den Hagel-Brennpunkten Südwestdeutschlands solche Geräte aufstellen lassen. „Doch um das Hagel-Phänomen besser zu verstehen, müssen wir in die Wolken hineinschauen und die Mikrophysik ergründen – also beobachten, wie der Hagel wächst“, sagt Kunz. Er und seine Mitarbeiter sowie ein internationales Forscherteam werden im Sommer 2021 zu „Stormchasern“: „Sturmjägern“, wie man sie aus den USA von der Jagd nach Tornados kennt. Zusammen mit Kollegen wird Kunz mit dem Auto hinter Gewittern herfahren, um im richtigen Moment Ballons in die Wolkenmonster aufsteigen zu lassen.

Per Ballon in die Gewitterwolke

Die Ballons werden Sensoren von der Größe einer Mandarine in die Höhe tragen und ausklinken, sobald die Aufwinde im Gewitter stark genug sind, um die Messfühler weiter nach oben zu reißen. Während die Sensoren aufsteigen und Druck, Feuchte oder Temperatur messen, werden die Forscher hinter dem Gewitter herfahren, um es mit mobilen Radargeräten von außen zu beobachten und Hagelkörner aufzusammeln. Dann bringen sie alle Infos zusammen: die Wetterbedingungen der Umgebung, die Situation in der Gewitterwolke und die Größenverteilung der Hagelkörner darin. „Wir hoffen, dass wir damit endlich besser verstehen werden, wann und warum Hagelkörner besonders groß werden“, sagt Kunz.

Aufwinde mit Orkantempo

Das Prinzip, nach dem Hagel entsteht, ist bekannt: Starke Gewitter saugen feuchtwarme Luft aus der Umgebung an. In besonders hohen Gewitterwolken, die 10.000 Meter weit aufragen können, ist dieser Auftrieb enorm. Mit bis zu 200 Kilometern pro Stunde steigt die Luft empor. Erreicht sie kältere Schichten, kondensiert das Wasser zu Tröpfchen, die weiter mitgerissen werden und irgendwann gefrieren. Je länger sich die Eisklümpchen in der kalten Luftschicht aufhalten, desto größer werden sie.

Das ist vor allem in sogenannten Superzellen der Fall – einer besonderen Form von Gewitterzelle, in der Luft spiralförmig aufsteigt. Solche Zellen entstehen, wenn sich die Windrichtung mit der Höhe ändert und die Gewitterwolke einen Drall bekommt. Auch das Gewittermonster von Reutlingen war eine rotierende Superzelle.

Kreisen die Eiskristalle, verlängert sich ihre Verweildauer in der Gewitterwolke – und sie können zu besonders großen Körnern heranwachsen. „Dass Hagelkörner in einer Gewitterwolke immer wieder auf- und absteigen und dabei weiter wachsen, wie es die klassische Theorie besagt, kann zwar vorkommen, ist aber nicht die Regel“, sagt Kunz. „Hagelkörner werden normalerweise emporgerissen und wachsen dabei. Sie sinken erst ab, wenn sie so schwer sind, dass der Auftrieb in der Wolke nicht mehr ausreicht.“

Klassische Theorie widerlegt

Dass die gängige Theorie vom Auf und Ab der Hagelkörner nicht stimmt, zeigen aktuelle Computersimulationen, mit denen Forscher die Flugbahn von Hagelkörnern berechnet haben. Hinzu kommen die Ergebnisse von waghalsigen Hagelforschern aus den USA: Über viele Jahre waren dort Piloten mit einer kleinen Propellermaschine immer wieder in große Gewitterwolken und Superzellen eingetaucht. Hageleinschlag-Sensoren, Luftdruckmesser, Thermometer und andere Geräte hatten bei jedem Flug automatisch Daten aufgezeichnet. Vier Jahrzehnte lang hielt das mit Kunststoffplatten verstärkte Flugzeug durch. Doch 2003 wurde es schließlich nach einem Motorschaden eingemottet.

„Ein Großteil unseres Wissens über das Innere der Gewitterwolken stammt aus diesen Flügen“, sagt der Meteorologe John Allen von der Central Michigan University. „Daher wissen wir zum Beispiel, dass Superzellen in den USA 95 Prozent aller großen Hagelkörner produzieren.“ Und doch seien die kurzen Flüge durch die Gewitterwolken immer nur Stippvisiten gewesen, sagt er. Ein vollständiges Bild davon, wann und wie Hagelkörner bei ihrer Reise durch eine Gewitterwolke wachsen, habe man noch nicht.

Michael Kunz weiß, welche Gebiete in Deutschland besonders stark durch Hagelunwetter gefährdet sind. Denn mit seinem Team am KIT hat der Meteorologe Methoden entwickelt, um aus Radardaten die Hagelschlaggefahr zu bestimmen. Versicherungen, die letztlich für große Hagelschäden aufkommen müssen, wollen etwa wissen, wie oft 200-Jahres-Ereignisse eintreten und welche Schäden sie verursachen können. Dabei handelt es sich um extreme Unwetter, die es statistisch nur einmal alle 200 Jahre gibt.

Nach einem Reglement der Europäischen Union, der Solvency-II-Richtlinie, sind Versicherungen dazu verpflichtet, ein 200-Jahres-Ereignis aus eigenen Mitteln zu entschädigen oder durch Rückversicherungen abzudecken. „Wenn wir wissen, in welcher Region wie häufig Hagelschauer zu erwarten sind, dann können wir diese Information mit Karten unseres Gebäudebestandes verknüpfen und so abschätzen, wie hoch die Schäden maximal sein werden“, sagt Klaus Zehner, ehemaliger Vorstand der SV Sparkassenversicherung. „Die erforderlichen Informationen liefern Michael Kunz und seine Mitarbeiter mit ihrem Rechenmodell.“

Hagel-Hotspot am Schwarzwald

Die Ergebnisse von Kunz’ Hagelanalysen haben unter anderem gezeigt, dass Hagelschauer vor allem im warmen Südwesten Deutschlands auftreten – und zwar besonders auf der Lee-Seite von Höhenzügen wie dem Schwarzwald. Die feuchtwarmen Luftmassen, die aus südwestlicher Richtung kommen, ziehen links und rechts am Schwarzwald vorbei. Auf der windabgewandten Seite stoßen sie wieder aufeinander und weichen nach oben aus. Auf diese Weise können sich große und hohe Gewitterwolken auftürmen – vor allem dort, wo Reutlingen liegt. Soweit die Theorie. Ob das tatsächlich in der Mehrzahl der Fälle so ist, soll das Stormchasing-Experiment 2021 zeigen.

Liegt es am Klimawandel, dass die schweren Gewitter in Deutschland zugenommen haben? Das weiß Michael Kunz nicht. „Aber fest steht: Wenn es wärmer wird, verdunstet mehr Wasser. Das treibt die Gewitter an“, sagt der KIT-Wissenschaftler. Sollte es aber durch häufige Hitzewellen und Dürren trockener werden, verringert sich die Verdunstung. Gewitter treten dann seltener auf. Zudem beeinflussen großräumige Wetterphänomene das Entstehen von Gewittern – etwa Hoch- und Tiefdruckgebiete oder starke Windströmungen in den hohen Schichten der Atmosphäre, sogenannte Jetstreams. „Erst wenn wir verstehen, wie sich das mit dem Klimawandel ändert, können wir den Einfluss auf Gewitter abschätzen“, sagt Kunz.

Doch Michael Kunz ist überzeugt: Die Hagelflieger in Süddeutschland können gegen Hagel wenig ausrichten. Diese Propellerflugzeuge sind seit Jahrzehnten im Auftrag von Landwirten und Weinbauern unterwegs, wenn große Gewitterfronten heranziehen. Dann steigen sie auf, um eine Lösung aus Aceton-Silberiodid zu versprühen. Die Partikel dienen als Eiskeime, die für das Gefrieren nötig sind.

Wolken-Impfen ohne Wirkung

Die Hoffnung: Statt wenige große bilden sich viele kleine Hagelkörner, die weniger Schäden verursachen oder gar auf dem Weg zum Boden komplett schmelzen und zu Regentropfen werden. Doch ein Abgleich der Einsätze von Hagelfliegern mit den Schadensdaten der Versicherer zeigt ein anderes Bild, berichtet Michael Kunz: „Hagel bildet sich unabhängig davon, ob Hagelflieger in der Luft sind oder nicht. In unseren Daten sehen wir nicht, dass der Einsatz der Flugzeuge die Schäden reduziert hätte.“