Windscherung

 

 

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Windscherung

Windscherung

Windscherungen sind abrupte, fast übergangslose Änderungen der Windrichtung und/oder der Windgeschwindigkeit zwischen zwei Punkten, die durch das Aneinandervorbeiströmen von zwei unmittelbar benachbarten Luftschichten mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften hervorgerufen werden. Je geringer die vertikale Distanz ist, über welche der Richtungs- oder Geschwindigkeitswechsel auftritt, desto stärker ist die Scherung. Zur Beurteilung sind dabei stets beide Komponenten, die Geschwindigkeit und die Richtung, zu betrachten. Ein bloßer Geschwindigkeitsunterschied ist somit allein nicht besonders aussagekräftig. Sind z.B. die Richtungen der beiden Winde um 180° entgegengesetzt, so ist die Scherung genau die Summe der einzelnen Geschwindigkeiten.

Ihre Energie beziehen Windscherungen aus großen Luftdruckunterschieden, bei denen die als Scherwind bezeichnete Luftbewegung für den Ausgleich der Druckunterschiede zwischen diesen Punkten sorgt. Während der Begriff der Windscherung also den Vorgang des Zusammentreffens unterschiedlicher Winde bezeichnet, betrifft der Begriff Scherwind den daraus resultierende Wind selbst. Ein Scherwind ist somit ein starker Wind, der in einem kleinen geografischen Gebiet auftritt, während in dessen Umgebung nur schwache oder anders gerichtete Winde vorherrschen.

Weitere Einzelheiten zu den Scherwinden stehen im Kapitel Scherwind.

Je nachdem, ob sich die Druckunterschiede auf unterschiedlichen Höhen oder unterschiedlichen geographischen Positionen befinden, wird von vertikaler oder horizontaler Windscherung gesprochen:

  • Horizontale Windscherungen treten auf, wenn sich zwei parallel zueinander liegende Luftströmungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aneinander vorbei bewegen, wobei diese Luftströmungen sogar in entgegengesetzter Richtung wehen können. Die Trennlinie zwischen beiden Luftströmungen wird "Scherungslinie" genannt. Ein Beispiel für eine Scherungslinie ist die quasistationäre Bodenfront. Starke horizontale Windscherungen treten innerhalb von scharf ausgeprägten Frontalzonen auf. Im Extremfall kann sich die Windrichtung um 180 ° umkehren.
  • Vertikale Windscherungen treten bei unterschiedlichen Luftströmungen an den Grenzflächen unmittelbar übereinander liegender Luftschichten auf. Sie können sowohl durch verschiedene Windrichtungen als auch durch unterschiedliche Windgeschwindigkeiten hervorgerufen werden. Ändert die Windrichtung mit der Höhe und ist die Strömung geostroph, ist die vertikale Windscherung identisch mit dem thermischen Wind. Vertikale Windscherungen treten z.B. durch Advektion unterschiedlicher Luftmassen in verschiedenen Höhen auf und sind die häufigste Ursache für Turbulenz.

In Gebieten mit starker horizontaler Windscherung treten häufig zugleich auch vertikale Windscherungen auf, z.B. im Bereich der Jetstreams.

Die Abbildung rechts oben zeigt schematisch das Zustandekommen von horizontalen Windscherungen.
Dabei herrscht

  • Wind aus Südost in Bodennähe,
  • Wind aus Südwest auf der 700 hPa-Druckfläche und
  • Wind aus West auf der 300 hPa-Druckfläche.

Wie die Windvektoren (Pfeilelängen) zeigen, variiert der Wind mit der Höhe nicht nur in der Richtung, sondern auch in der Windstärke.

Windscherungen treten u.a. bei folgenden Wettererscheinungen auf:

  • Gewittern
  • starken Schauern
  • Temperaturinversionen
  • an der Obergrenze von Kaltluftseen
  • an der Grenzfläche zwischen freier Höhenströmung und in einem Tal geführtem Wind
  • Jetstreams (Strahlstrom), ggf. auch bodennah in Verbindung mit Bodeninversionen bzw. einer Peplopause
  • Wetterfronten.

Besonders ausgeprägte Schereffekte zeigen sich in Gewittern oder bei den Jetstreams.

Starke Windscherungen treten selten auf, in unserer gemäßigten Klimazone noch seltener als in den Tropen. Aber auch in Mitteleuropa sind schon derart heftige Windscherungen festgestellt worden, die ein Luftfahrzeug in große Gefahr gebracht hätten. Scherwindgefährdete und davon weniger betroffene Gebiete werden nach der Häufigkeit des Auftretens starker und sehr starker Windscherungen in der unteren Troposphäre unterschieden. Zu den scherwindgefährdeten Gebieten zählen insbesondere:   

  • Küstenregionen,
  • Inseln,
  • Hoch- und Mittelgebirge,
  • subtropische und tropische Klimazonen,
  • die gesamten USA,
  • Skandinavien und
  • die kontinentalen Klimagebiete Russlands.

 

Windscherungen in der Luftfahrt

Windscherungen sind regelmäßig mit Turbulenzen verbunden, u.U. sogar mit starker Turbulenz. Das führt im einfacheren Fall bloß zu einem unruhigen Flug, ggf. aber auch zu ernsten Problemen und Gefahren bei Start und Landung von Segel- und Motorflugzeugen, weil die Änderungen der Windgeschwindigkeit auch den Gleitweg eines Flugzeuges verändern. Windscherungen sind daher für die Luftfahrt eine ernste Gefahr, insbesondere wenn sie ein Flugzeug während der besonders heiklen Start- oder Landephase treffen. Bei einem in der Luft befindlichen Flugzeug kann eine Windscherung, je nach Windrichtung, auf die Tragflächen wie ein zusätzlicher Auftrieb (positive Windscherung) bzw. Auftriebsverlust durch zu- bzw. abnehmende Anströmung des Profils (negative Windscherung) einwirken (Windgeschwindigkeit +/- 15 kt). Solche Turbulenzen können durchaus zur strukturellen Überlastung führen oder ein heftiges Durchsacken oder Hochsteigen des Flugzeugs bewirken. Das ist insbesondere bei Start und Landung zu beachten. So kann z.B. eine negative Windscherung im Landeanflug unvermittelt eine Rückenwindkomponente mit einen plötzlichen Abfall der Geschwindigkeit der anströmenden Luft bewirken, so daß ein sofortiges Durchstarten mit voller Triebwerksleistung erforderlich wird. Eine positive Windscherung stellt dagegen keine Gefahr für ein Flugzeug dar, da sie die Fahrt durch zusätzlichen Gegenwind erhöht. Gefährlich wird es jedoch, wenn nach einer positiven Windscherung die Leistung reduziert wird und es dann zu einer negativen Windscherung mit einem Wegfall der vorherigen zusätzlichen Gegenwindkomponente kommt. Windscherungen müssen daher rechtzeitig erkannt werden, um Flugunfälle zu vermeiden.

Windscherungen gehen für Segelflieger häufig mit einer gewissen Turbulenzhäufigkeit einher, wenn in der Thermik in kurzer Zeit verschiedene Höhen erreicht und dort unterschiedliche Luftströmungen mit Windrichtungsänderungen bzw. Änderungen der Windstärke angetroffen werden. Aber auch für Motorflugzeuge bedeutet im Gebirge das Verlassen einer Luftschicht mit - noch ungestörtem - Höhenwind bzw. das Eintauchen in die oft vom Talwind beeinflußte Luftschicht häufig den Einflug in von Windscherungen durchsetzte Bereiche. Zudem gibt es auch im Lee von Hindernissen häufig heftige Windscherungen mit starken Turbulenzen.

 

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Windscherungen sind eine ernste Gefahr für den Flugverkehr, insbesondere wenn sie ein Flugzeug während der besonders heiklen Start- oder Landephase treffen. Gebiete mit starken Windscherungen sind zudem Gebiete, in denen für die Fliegerei gefährliche Clear Air Turbulence (CAT) auftreten kann. Windscherungen können zudem Turbulenzen hervorrufen, welche die Luftfahrt nicht minder ernst gefährden können. Bei einem in der Luft befindlichen Flugzeug kann eine Windscherung, je nach Windrichtung, auf die Tragflächen durch die zu- bzw. abnehmende Anströmung des Profils wie ein zusätzlicher Auftrieb bzw. Auftriebsverlust einwirken. Das kann zur strukturellen Überlastung des Flugzeugs führen oder ein heftiges Durchsacken bzw. Hochsteigen bewirken. Das ist insbesondere bei Start und Landung zu beachten.

Zur Vermeidung von Flugunfällen müssen Windscherungen deshalb möglichst frühzeitig erkannt werden. An besonders gefährdeten Flugplätzen gibt es dazu spezielle Warnsysteme, mit welchen die Start- und Landebereiche überwacht werden. Damit kann z.B. die Intensität und Verlagerungsrichtung von Gewitterzellen verfolgt werden, um Piloten rechtzeitig warnen zu können.

Aus diesem Grund werden die weiteren Einzelheiten der Windscherung bzw. der Scherwinde im Abschnitt Risiko Wetter im Kapitel Scherwind behandelt.

 

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