Friedrich HOFER

Gewitter in der Steiermark -
Häufigkeit, Verteilung und Zugbahnenanalyse unter besonderer
Berücksichtigung von Luftmassen- und Wetterlagenabhängigkeit

Diplomarbeit

zur Erlangung des akademischen Grades eines
Magisters der Naturwissenschaften
am Institut für Geographie und Raumforschung
der Karl-Franzens-Universität Graz

Graz, im Mai 2006

Vorwort

Die ,,Geburtsstunde" der dieser Arbeit zugrunde liegenden Idee geht auf einen Tag im September des Jahres 2004 zurück. In diesem Monat absolvierte ich mein im Rahmen des Studiums ,,Umweltsystemwissenschaften mit Fachschwerpunkt Geographie" erforderliches Praktikum an der Regionalstelle der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik am Flughafen in Graz. Mein schon seit früher Jugend bestehendes Interesse am Wettergeschehen ließ dieses Praktikum zu einer sehr kurzweiligen und höchst interessanten Angelegenheit werden, wobei ich mir schon nach den ersten Tagen sicher war, meine bevorstehende Diplomarbeit über ein Thema schreiben zu wollen, welches mich voll und ganz mit den Themen Wetter und Klima beschäftigen sollte.

Nach Anfrage bei Dr. Alexander Podesser, ob er mir einen Ratschlag für ein sinnvolles und interessantes Diplomarbeitsthema geben könne, dauerte es nicht lange bis er mir die Thematik ,,Gewitter in der Steiermark" schmackhaft machen konnte. Aufgrund des sich erst seit relativ kurzer Zeit (1992) in Betrieb befindlichen Blitzortungssystems ALDIS (Austrian Lightning Detection and Information System) war mir klar, dass eine intensive Auseinandersetzung mit den bisher georteten und aufgezeichneten Blitzdaten durchaus neue und interessante Ergebnisse mit sich bringen könnte. Nach Absprache mit meinem Diplomarbeitsbetreuer O. Univ. Prof. Dr. Herwig Wakonigg waren eine Berechnung der Blitzdichte sowie eine Analyse der Entstehungs- und Verlagerungseigenschaften von Gewittern, aber auch alle anderen statistischen Auswertungen der Blitzdaten bald als Hauptziele dieser Arbeit definiert.

Als Motivation, diese Arbeit in Angriff zu nehmen, sah ich für mich zum einen die Herausforderung, neue Erkenntnisse für die Gewitterklimatologie der Steiermark zu erlangen, zum anderen den Spaß am Umgang mit Zahlen und Statistiken. Vor allem aber auch die Unberechenbarkeit des Wetters im Allgemeinen und die von Gewittern im Speziellen ­ kein Gewittertag gleicht einem anderen ­ ließ mich mit Freude und Hochspannung meine Arbeit beginnen.

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Danksagung

Bedanken möchte ich mich an dieser Stelle vor allem beim gesamten Team der ZAMG an der Regionalstelle in Graz mit Dr. Harald Pilger an der Spitze, allen voran bei Hannes Rieder, Franz Lackner und Alexander Podesser, die mir sowohl inhaltliche Tipps gegeben haben, als auch bei technischen Problemen zur Seite gestanden sind. Außerdem bekam ich die für die Auswertungen benötigten Blitzdaten von der ZAMG zur Verfügung gestellt, was jedoch nicht ohne die Erlaubnis von Dipl.-Ing. Dr. Gerhard Diendorfer von ALDIS möglich gewesen wäre, dem ich auch sehr herzlich für sein Entgegenkommen danken möchte. Auch Dipl.-Ing. Oswald Mörth von GIS Steiermark sei an dieser Stelle herzlich für die Bereitstellung der in meine für die graphische Umsetzung der ausgewerteten Blitzdaten erstellten Karten eingeflossenen GIS- Daten gedankt.

Ein ganz besonderer Dank gilt meinem Diplomarbeitsbetreuer O. Univ. Prof. Dr. Herwig Wakonigg, der sich nicht nur für jede Frage von mir ausführlich Zeit nahm, sondern diese auch immer mit seinem großen Fachwissen zu meiner vollsten Zufriedenheit beantworten konnte.

Auch meiner gesamten Familie, vorrangig meinen Eltern, möchte ich großen Dank aussprechen, da sie für mich während meines Studiums immer einen verlässlichen und sicheren Rückhalt darstellte. Zum Schluss noch einen lieben Dank an meine Freundin Irene, die es vor allem in Zeiten schwacher Motivation immer wieder schaffte, mir genug Energie und Ausdauer zu verleihen, um diese Arbeit zu Ende zu bringen.

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Zusammenfassung

Mit der Inbetriebnahme des österreichischen Blitzortungssystems ALDIS im Jahr 1992 wurde die Klimastatistik in Österreich um eine Facette erweitert. Die Gewittertätigkeit wurde zwar auch davor beobachtet und statistisch erfasst, die Genauigkeit dieser Beobachtungen litt jedoch zum einen unter der geringen Dichte des Stationsnetzes, zum anderen an der Uneinheitlichkeit der Aufmerksamkeit der Beobachter selbst. Außerdem wurde nur die Anzahl der Gewittertage pro Jahr in die Statistik aufgenommen, ungeachtet der Intensität der Gewitter. Im Klartext heißt das, dass ein Tag, an dem ein Donner gehört wurde, ebenso als Gewittertag zählte wie ein Tag mit Dutzenden Blitzen. ALDIS machte es nun möglich, für jeden Tag alle Blitze zu registrieren und räumlich zu verorten. Auf dieser räumlichen und zeitlichen Zuordnung der registrierten Blitze basiert diese Arbeit, die sich auf die Blitzaktivität in der Steiermark beschränkt und den Zeitraum von 1995 bis 2004 untersucht.

Die Steiermark zählt aufgrund der Alpenrandlage zu den gewitterreichsten Regionen Österreichs, wobei auch innerhalb des Bundeslandes große Unterschiede zu erkennen sind. Diese regionalen Unterschiede sind in dieser Arbeit ausführlich erläutert, ebenso wie allgemeine Blitzstatistiken sowie eine Auswertung der Gewitterzugbahnen in der Steiermark. Außerdem wurde versucht, den Einfluss der unterschiedlichen Luftmassen und Wetterlagen auf die Blitzhäufigkeit- und verteilung einfließen zu lassen. Die Auswertungen und graphischen Umsetzungen wurden teils im EXCEL, teils im GIS-Programm ArcView durchgeführt. Als sehr zeitintensiv stellte sich dabei die Auswertung der Gewitterzugbahnen heraus, da ich für diese Analyse jeden Tag des zehnjährigen Untersuchungszeitraums einzeln untersuchen musste. Ein Problem stellte auch die sehr große Datenmenge von knapp 400 000 Blitzen dar, weil dadurch die diversen Berechnungen viel Zeit in Anspruch genommen haben.

Der Arbeitsaufwand brachte als Lohn doch sehr interessante Ergebnisse, die zum Großteil erwartet werden durften. Vor allem das errechnete Maximum der Blitzdichte über dem Steirischen Randgebirge, sowie die deutliche Abnahmen gegen Nordwesten sowie gegen Südosten ist durchaus plausibel. Auch die in diesem Zusammenhang stehende Abhängigkeit der Blitzaktivität von Luftmassen und Wetterlagen liefert logische Ergebnisse: Subtropische Luftmassen bzw. gradientschwache Wetterlagen bringen am häufigsten Gewitter mit sich. Unter allen ausgewerteten Gewitterzugbahnen gingen von Westen nach Osten bzw. von Nordwesten nach Südosten gerichtete Zugrichtungen als die am häufigsten vorkommenden hervor.

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Abstract

Since 1992 in Austria all flashes reaching the ground have been detected and stored in a database by ALDIS (Austrian Lightning Detection and Information System). Before ALDIS was put into operation, thunderstorms had not been detected automatically, but weather observers registered them whenever a single thunder was heard. Every thunder, regardless whether one or fifty thunders were noticed, made a day to a so called "Thunderstorm-day" (Gewittertag). The problem was that you were not able to read out of the statistic, whether a thunderstorm was heavy or not. With ALDIS it became possible to count all the flashes which occur and to analyse them statistically. Moreover each registered flash is saved with its exact time and its exact geographical position. Based on this information my diploma  "Thunderstorms in Styria ­ Frequency, Distribution and Tracking Analysis, eEspecially Regarding Airmass and Meteorological Conditions", in which I have evaluated all the flashes that have reached the ground of Styria between 1995 and 2004, was written.

The calculations and graphical representations were done with EXCEL and ArcView. The great amount of about 400 000 flashes which reached the Styrian ground in the period of the ten years I did my evaluation for, made the analysis very time-consuming. Apart from general statistical analysis of the data I set the focus on the regional distribution of flash density, tracking analysis and the influence of airmass and meteorological conditions in correlation with the frequency and the distribution of thunderstorms. The most difficult work was the tracking analysis, because I had to evaluate each day separately.

Summing up it can be said that the results of my work are quite interesting. Concerning the regional distribution of flash the mountains in the south eastern part of the Alps have the highest one. The density decreases both to the north western parts and the south eastern parts of Styria. In connection with the influence of airmass and meteorological conditions on flash activity subtropical airmass (xS) on the one hand and the meteorological condition G (gradientschwache Wetterlage) on the other hand contribute to the majority of flashes. Finally the tracking analysis has shown that most of the thunderstorms in Styria dislocate from west to east and respectively from northwest to southeast. Hardly ever thunderstorms dislocate from eastern parts to western directions.

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Inhaltsverzeichnis

I. . Einleitung 11
1. Problemstellung 11
2. Motivation und Zielsetzung 12
II. . Hauptteil 13
1. Grundlagen der Gewitterklimatologie 13
1.1. Definition von Gewittern 13
1.2. Arten von Gewittern und deren Entstehung 13
1.3. Blitzphysik 14
1.4. Blitzarten 17
2. Die Blitzortung in Österreich 19
2.1. ALDIS 19
2.1.1. Die Funktionsweise 19
3. Blitzstatistik in der Steiermark 25
3.1. Geschichte 25
3.2. Neue Möglichkeiten der Blitzstatistik durch das Blitzortungssystem ALDIS 26
4. Blitzstatistische Auswertungen 28
4.1. Blitzstatistik im Bundesländervergleich 28
4.2. Anzahl der Blitzentladungen im Jahresvergleich 30
4.3. Jahreszeitliche Verteilung der Blitzentladungen 31
4.4. Tagesgang der Gewittertätigkeit 32
4.4.1 Höhenabhängigkeit im Tagesgang der Blitzaktivität 33
4.4.2. Regionale Unterschiede im Tagesgang der Blitzaktivität 34
5. Luftmassen und Gewitter 37
5.1. Definition von Luftmassen 37
5.2. Eigenschaften von Luftmassen 37
5.3. Luftmassenklassifikationenen 37
5.3.1. Die Luftmassenklassifikation für Mitteleuropa nach GEB 38
5.4. Jahreszeitliche Verteilung der Luftmassen 40
5.5. Häufigkeit der Luftmassen im Monatsvergleich 41

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5.6. Die Bedeutung der Luftmassen für die Gewitterentstehung 42

5.6.1. Eigenschaften der ,,gewitterträchtigsten" Luftmassen 45

6. Wetterlagen und Gewitter 47

6.1. Das System der Ostalpinen Wetterlagen 47

6.2. Jahreszeitliche Verteilung der Ostalpinen Wetterlagen nach LAUSCHER 48

6.3. Der Einfluss der Wetterlagen auf die Gewitterentstehung 49

7. Blitzdichte in der Steiermark 52

7.1. Allgemeines zur Blitzdichte 52

7.2. Vorgangsweise bei der Auswertung der Blitzdaten hinsichtlich der Blitzdichte und deren graphische Umsetzung 52

7.3. Blitzdichtekarten 52

7.3.1. Verteilung der Blitzdichte in der Steiermark im Jahreszeitenvergleich 58

7.3.2. Verteilung der Blitzdichte in Abhängigkeit von Luftmassen und Wetterlagen 62

8. Mittlere jährliche Zahl der Gewittertage in der Steiermark 63

8.1. Vergleich der beiden Untersuchungen bezüglich der Zahl der Gewittertage 65

8.2. Vergleich der Verteilung der Blitzdichte mit der Verteilung der Zahl der Gewittertage 66

9. Zugbahnen der Gewitter in der Steiermark 67

9.1. Allgemeines 67

9.2. Vorgangsweise bei der Auswertung der Blitzdaten hinsichtlich einer Zugbahnenanalyse ... 68

9.3. Darstellungen und Auswertungen 70

10. Fallbeispiele für klassische Gewittertage mit ausgeprägten Zugbahnen 81

10.1. Fallbeispiel 29.08.2003: 81

10.2. Fallbeispiel 17.07.2003: 83

10.3. Fallbeispiel 14.06.2003: 85

III. . Zusammenschau 88

IV. . Quellen- und Literaturverzeichnisse 90

1. Literatur 90

2. Internet 92

3. Datengrundlage 92

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Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Typische Ladungsverteilung innerhalb einer Gewitterwolke 15
Abb. 2: Die drei wesentlichen Phasen einer Blitzentladung 16
Abb. 3: Prinzip der Winkelbestimmung (Magnetic Direction Finding) (www.aldis.at) 20
Abb. 4: Optimierung nur mit Richtungsinformation 22
Abb. 5: Ortung durch Triangulation 22
Abb. 6: Aufstellungsorte der Direction Finder in Österreich 23
Abb.7: Sensorstandorte des EUCLID Netzwerkes 24
Abb.8: Mittlere jährliche Zahl der Gewittertage (1951 - 1970), (Wakonigg, 1978) 26
Abb. 9: Mittlere jährliche Anzahl der Blitzentladungen im Zeitraum von 1995 - 2004 28
Abb. 10: Mittlere jährliche Blitzdichte (Blitze pro km2) im Zeitraum von 1995 - 2004 29
Abb.11: Anzahl der Blitzentladungen in der Steiermark im Jahresvergleich der 10 Jahre des Untersuchungszeitraumes 30
Abb.12: Jahresgang der Blitzentladungen in der Steiermark im Monatsvergleich im Zeitraum von 1995 -2004 31
Abb. 13: Tagesgang der Blitzentladungen in der Steiermark im Stundenvergleich im Zeitraum von 1995 - 2004 32
Abb. 14: Tagesgang der Blitzdichte in der Steiermark in Höhenabhängigkeit im Zeitraum von 1995 - 2004 33
Abb. 15: Tagesgang der Blitzdichte in der nördlichen Obersteiermark in Höhenabhängigkeit im Zeitraum von 1995 - 2004 34
Abb. 16: Tagesgang der Blitzdichte im Oberen Murtal in Höhenabhängigkeit im Zeitraum von 1995 - 2004 35
Abb. 17: Tagesgang der Blitzdichte im Südoststeirischen Alpenvorland in Höhenabhängigkeit im Zeitraum von 1995 - 2004 36
Abb. 18: Jahreszeitliche Verteilung der Luftmassen im Großraum Graz im Zeitraum von 1995 - 2004 40
Abb. 19: Häufigkeit der Luftmassen in der Steiermark im Monatsvergleich im Zeitraum von 1995 - 2004 41
Abb. 20: Verteilung der Luftmassen in der Steiermark im Sommer im Zeitraum von 1995 - 2004 42
Abb. 21: Anteil der Luftmassen an allen Blitzen in der Steiermark im Zeitraum von 1995 - 2004 43

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Abb. 22: Vergleich zwischen der Häufigkeit von Luftmassen in den Sommermonaten und deren Anteil an den Blitzentladungen 43

Abb. 23: Blitzintensität ausgewählter Luftmassen in den Sommermonaten (1995 ­ 2004) 44

Abb. 24: Jahreszeitliche Verteilung der Ostalpinen Wetterlagen im Zeitraum von 1995 - 2004 48

Abb. 25: Verteilung der Ostalpinen Wetterlagen in der Steiermark in den Sommermonaten im Zeitraum von 1995 - 2004 49

Abb. 26: Wetterlagenabhängigkei von Gewittern in der Steiermark in den Sommermonaten im Zeitraum von 1995 - 2004 50

Abb. 27: Blitzintensität ausgewählter Wetterlagen in der Steiermark in den Sommermonaten im Zeitraum von 1995 - 2004 51

Abb. 28: Mittlere jährliche Blitzdichte in der Steiermark im Zeitraum von 1995 - 2004 53

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 57

Abb. 32: Mittlere Blitzdichte in der Steiermark bei gemischt geprägter Subtropikluft (xS) im Zeitraum von 1995 - 2004 59

Abb. 33: Mittlere Blitzdichte in der Steiermark bei gradientschwacher Wetterlage im Zeitraum von 1995 - 2004 60

Abb. 34: Mittlere Blitzdichte in der Steiermark bei den Hochdruckwetterlagen H und h im Zeitraum von 1995 - 2004 61

Abb. 35: Mittlere jährliche Zahl der Gewittertage in der Steiermark im Zeitraum von 1995 - 2004 (ALDIS-Blitzdaten, ZAMG) 63

Abb. 36: Mittlere jährliche Zahl der Gewittertage in der Steiermark im Zeitraum von 1951 - 1970 (nach WAKONIGG 1978) 64

Abb. 37: Blitzentladungen im Untersuchungsgebiet am 27.06.1998 69

Abb. 38: Blitzentladungen im Untersuchungsgebiet am 27.06.1998, unterteilt in 20-Minuten-Abschnitte 69

Abb. 39: Gewitterzugbahnen im Untersuchungsgebiet am 27.06.1998 70

Abb. 40: Zugbahnen der Gewitter in der Steiermark im Zeitraum von 1995 - 2004 71

Abb. 41: Häufigkeit der Zugrichtungen von Gewittern in der Steiermark im Zeitraum von 1995 - 2004 73

Abb. 42: Zugbahnen der Gewitter in der Steiermark bei gemischt geprägter Suptropikluft (xS) im Zeitraum von 1995 - 2004 75

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