Können Satelliten Hagel messen?

Wettersatelliten beobachten die meisten Kontinente schon seit längerer Zeit. Neue Algorithmen jedoch können Gewittersignaturen, die auf Hagel hindeuten, immer besser erkennen. Eine genauere Abschätzung der Hagelhäufigkeit und des Hagelrisikos hätte einen hohen Wert für die Landwirtschaft, aber auch für Versicherungen oder den Luftverkehr. Denn die Schäden, die durch Hagel regelmäßig verursacht werden, sind immens.

Hagel führt immer wieder zu schweren Schäden, wie unlängst am 10.06.2019 im Münchner Umland oder am 28.07.2013 bei Reutlingen in Baden-Württemberg. In den USA werden geschätzt 70 Prozent der Gewitterschäden in Höhe von jährlich rund 19 Milliarden Dollar nicht etwa durch Tornados, sondern durch Hagel verursacht. So werden Fahrzeuge, Dachziegel oder andere Gebäudeteile bereits durch Hagelkörner größer als 2-3 cm verformt oder zerstört. In der Landwirtschaft dagegen werden Obst und Gemüse oft schon bei Hagelschlag von kleineren Körnern ab 1 cm Größe wertlos.

Anders als bei anderen Naturgefahren wie Flusshochwassern oder Hitzewellen lässt sich bei Hagel die betroffene Fläche und Häufigkeit oft nicht leicht abschätzen. Zwar können moderne Regenradare mit Polarisationsmessung heute Hagel immer besser erkennen, doch sind noch längst nicht alle hagelanfälligen Gebiete von solchen Geräten erfasst. Zudem sind solche Messungen oft nur seit wenigen Jahren verfügbar, so dass verlässliche Aussagen zur Häufigkeit kaum möglich sind.

Wettersatelliten beobachten die meisten Kontinente jedoch schon seit deutlich längerer Zeit. Aber können Sie Hagel erfassen? Tatsächlich sind schwere Gewitter in Infrarotbildern wie etwa von den geostationären Meteosat-Satelliten recht gut zu erkennen (Abb. 1). In der Höhe bilden Sie einen charakteristischen Wolkenschirm, der in der Abbildung rot erscheint und wegen der großen Höhe deutlich kälter ist, als andere Wolken. Finden sich innerhalb dieses Schirms einzelne schwarze Flecken mit noch kälteren Temperaturen, so sind dies sogenannte 'Overshooting Tops (OTs)'. Hier steigt die Luft aufgrund starker Aufwinde kurzzeitig noch höher, bis in die Tropopausenregion auf. Diese Aufwinde sind es aber, die Hagelkörner während Ihres Wachstums in der Schwebe halten. Es handelt sich also hier um einen indirekten Indikator für Hagel.

Algorithmen können OTs automatisch detektieren. Tatsächlich haben Wissenschaftler am Forschungszentrum Langley der NASA einen Algorithmus entwickelt (Bedka, 2011), der diese Gewittersignaturen nicht nur im Infrarotbereich, sondern auch anhand von Wellenstrukturen im sichtbaren Bereich des Spektrums erkennen kann und so noch zuverlässige Erkennungen ermöglicht. Abbildung 2 zeigt die darauf basierende Abschätzung des Hagelausmaßes beim Reutlinger Hagelunwetter 2013. Diese kommt den Radarmessungen und Hagelmeldungen (Kunz et al. 2018) schon recht nahe.

In der Praxis produziert nicht jedes Gewitter mit starkem Aufwind auch Hagelschäden. Beispielsweise muss die Gewitterzelle eine gewisse Lebenszeit haben, um Hagelwachstum zu ermöglichen. In einer sehr warmen Atmosphäre kann es auch zum vollständigen Schmelzen des Hagels während des Fallens kommen. Es kommt also auf die Umgebungsbedingungen des Gewitters an. Neben einer ausreichend instabilen Schichtung der Atmosphäre begünstigen mit der Höhe zunehmende Winde und ein nicht zu hohes Nullgradniveau den Hagel. Berücksichtigt man diese Faktoren, kann man aus den langjährigen Satellitenbeobachtungen zu recht soliden Abschätzungen der Hagelhäufigkeit kommen (Abb. 3, Punge et al. 2017). Dazu kann man statistische Aussagen zum zu erwartenden Ausmaß von Hagelzügen treffen, was Versicherungen die Risikoabschätzung erleichtert.

Doch auch andere Satelliten können Anzeichen von Hagel erfassen. Radar- und Mikrowellensensoren umkreisen die Erde auf deutlich niedrigeren Umlaufbahnen, und erfassen dabei jeden Ort auf der Erde nur einige Male am Tag. Ursprünglich für Messungen der Regenmengen in den Tropen entwickelt, können auch hier Hagelsignale in den Bildern detektiert werden. Beim Radar wird wie bei den Geräten an der Erdoberfläche aktiv ausgesandte und von Hagelkörnern reflektierte Strahlung erfasst. Dagegen wird im Mikrowellenbereich passiv von der Erde ausgehende thermische Strahlung vermessen. Hagelkörner dämpfen diese Strahlen, so dass das Gewitter ähnlich wie im Infrarot als kalter Fleck erscheint. In einem neuen Forschungsprojekt arbeiten Wissenschaftler am KIT zusammen mit Kollegen der NASA daran, solche verschiedenen Beobachtungen besser zu verknüpfen und in Zukunft noch bessere Algorithmen zur Hagelerkennung zu entwickeln.   

Quellen und weiterführende Informationen

  Bedka, K. M. (2011): Overshooting cloud top detections using MSG SEVIRI Infrared brightness temperatures and their relationship to severe weather over Europe. Atmospheric Research 99(2). pp 175-189. Link

  Kunz, M., Blahak, U, Handwerker, J., Schmidberger, M., Punge, H.J., Mohr, S., Fluck, E., Bedka, K.M. (2018): The severe hailstorm in southwest Germany on 28 July 2013: characteristics, impacts and meteorological conditions. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 144(710). pp 231-250. Link

  H.J.Punge, H.J., Bedkab, K.M., Kunz, M., Reinbold, A. (2017): Hail frequency estimation across Europe based on a combination of overshooting top detections and the ERA-INTERIM reanalysis. Atmospheric research 198. pp 34-43. Link

Text, Fotos und Grafiken soweit nicht andere Lizenzen betroffen: eskp.de | CC BY 4.0
eskp.de | Earth System Knowledge Platform – die Wissensplattform des Forschungsbereichs Erde und Umwelt der Helmholtz-Gemeinschaft

Verwandte Artikel

Grundlagen