Plötzlich schichten sich Wolkentürme auf. Blitze zucken, Hagel prasselt zu Boden. Neue Auswertungen sollen Hagelfliegern, Flugsicherung und Versicherungen helfen.
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Sieht es nach Hagel aus, steigen Piloten der Hagelabwehr in ihre Kleinflugzeuge und starten in Richtung der Wolkentürme. Mit an Bord ist eine Silberjodid-Aceton-Lösung. In die Gewitterzelle gesprüht soll es die Zahl der Kristallisationskerne erhöhen. Anstatt weniger großer Hagelbrocken sollen also viele kleinere Körner entstehen, die insgesamt ungefährlicher sind. Ob diese Einsätze tatsächlich hilfreich sind, dafür liefert die Wissenschaft keine klare Aussage. Für Helmut Paulitsch, der sich an der TU Graz der Erkundung von Hagelereignissen widmet, ist der Prozess im Labor zwar gut erforscht, es fehlt aber an der Vergleichbarkeit im Feld – man kann ein und dasselbe Hagelereignis nicht mit und ohne Silberjodid-Impfung vergleichen.

Paulitsch und Kollegen am Institut für Hochfrequenztechnik entwickeln Werkzeuge, mit denen Hagelereignisse schnell und eindeutig erkannt oder ihre Wahrscheinlichkeit besser eingeschätzt werden können. Luftraumüberwachung oder Versicherer sind an solchen Daten interessiert. Sie kommen aber auch den Hagelfliegern zugute.

Hagel entsteht durch Aufwinde in den Gewitterzellen, die die Eiskristalle immer wieder in eisige Höhen tragen. Sie sammeln dabei Wassertröpfchen auf und wachsen, bis sie schließlich schwer zu Boden fallen. Die größten in Österreich verlässlich dokumentierten Hagelkörner stammen übrigens aus dem südlichen Waldviertel. 1984 maß man dort Eisbälle mit zwölf Zentimeter Durchmesser und einem Gewicht von 600 Gramm.

Der Schaden, den Hagel anrichten kann, ist immens. Allein am vergangenen Juliwochenende haben die Niederschläge auf 12.000 Hektar Anbaufläche im Süden Österreichs Schäden in Millionenhöhe angerichtet. Es steht zu befürchten, dass die Zunahme von Extremereignissen im Zuge der Klimakatastrophe auch Hagel häufiger macht. Sicher ist, dass die Saison länger wird und bereits früher im Jahr startet.

Wetterradar

Zentrales Instrument zur Erkundung des Inneren von Gewitterzellen ist das Wetterradar. Vier Anlagen werden von der Austro Control in Österreich betrieben. Die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen des Radars werden an Regen, Schnee oder Hagel gestreut. Ein Teil davon wird wieder empfangen und ausgewertet.

"Wir erkennen am Echo, was sich in der Wolke tut", erläutert Paulitsch. "Es ist stärker, je größer die Regentropfen sind. Und auch der Durchmesser eines Hagelkorns hat große Auswirkungen auf das Radarecho." Die Forscher haben etwa das Auswertungswerkzeug WIIS entwickelt, das Wetterradardaten in 2D- und 3D-Ansichten darstellt und das zahlreiche Institutionen anwenden.

Die praktische Auflösung des Wetterradars liegt im Kilometerbereich. Die Auswertung der Datenmuster lässt Wahrscheinlichkeiten für die Art des Niederschlags bestimmen. "Das Radar sieht die bodennahen Schichten nicht. Es gibt aber gute Kriterien, um abzuschätzen, ob der Niederschlag tatsächlich als Hagel am Boden ankommt", sagt Paulitsch.

Um tatsächlich die am Boden ankommende Energie der Hagelkörner zu messen, nutzte man früher spezielle Testplatten. Die Schwierigkeit dabei ist, sie tatsächlich in einem Niederschlagsgebiet zu positionieren. Heute greift man im Zuge von Citizen-Science verstärkt auf Wetterbeobachter aus der Bevölkerung zurück. Die Grazer Hagelforscher haben 2018 die Plattform "HeDi" gegründet, die heuer für Wetterbeobachter aus ganz Österreich zugänglich gemacht wurde. Bürger sind angehalten, Daten zu Hagelstürmen über hedi.tugraz.at oder per App zu übermitteln. Im eigenen Analysewerkzeug Hailsys fließen die Informationen mit Wetterradar- und meteorologischen Daten zusammen, um die Vorhersage zu verbessern.

Auch das Wetterradar selbst wurde in den vergangenen Jahrzehnten grundlegend verbessert. Lange war der Standard eine horizontale Polarisation. Die Wellen, die ausgeschickt werden, haben dabei allein eine horizontale Ausrichtung. In der Rückstreuung lassen sich die reflektierte Energie und die Geschwindigkeit von Objekten ablesen. Neue Dual-Pol-Radargeräte schicken Wellen gleichzeitig auch in vertikaler Ausrichtung aus. Österreich gehört zu den Pionieren dieser Entwicklung. Ab 1978 wurde an der TU Graz eines der ersten dual-polarisierenden Forschungsradare gebaut. "Das selbstgebaute Radar wurde auf der Grazer Hilmwarte errichtet und diente der Erforschung von Niederschlagsphänomenen und atmosphärischen Ausbreitungsbedingungen", erklärt Paulitsch.

Automatische Analyse

Mittlerweile hat die Technologie bei Wetterdiensten weltweit Einzug gehalten. Österreichs Wetterradar ist seit 2013 umgerüstet. Seitdem wird die Nutzung in mehreren Forschungsprojekten erprobt. Im aktuellen Projekt "Hymid" kooperiert die Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG), die zum Wissenschaftsministerium gehört, mit Austro Control – dem Infrastrukturministerium zugehörig – und Versicherungsdienstleistern, um Niederschlagsformen automatisiert unterscheiden zu können.

"Horizontale und vertikale Wellen werden von Regentropfen, Eiskristallen und Hagelkörnern unterschiedlich zurückgestreut", erklärt Projektleiter Lukas Tüchler von der ZAMG. "Dank der Daten kann man auf die Art der Partikel schließen – etwa die kleinen, runden Tropfen des Niesel- oder die großen, abgeflachten von Starkregen." Auch Hagel hat ein eigenes Rückstrahlverhalten. Nicht nur wahrscheinliche Arten, Größen und Mischverhältnis von Partikel in der Wolke sollen automatisiert bestimmt werden. Auch die Abschätzung, in welcher Form der Niederschlag den Boden erreicht, soll von klugen Algorithmen erledigt werden. Die Ergebnisse sollen unter anderen mit tatsächlichen Schadensdaten der Versicherungen abgeglichen werden.

Um in den Daten die Muster erkennen zu können, erproben die Forscher Algorithmen aus dem Bereich der sogenannten Fuzzy-Logic. Das Prinzip dabei ist, die Teilchen mit verschiedenen Zugehörigkeitsgraden zu versehen. Eine Messung kann also in verschiedener Ausprägung den Kategorien Regen, Schnee oder Hagel zugehörig sein. Auch der Einsatz von Artificial Intelligence wird getestet, wobei ein neuronales Netz auf das Erkennen der Niederschläge trainiert wird. Bereits in der aktuellen Saison werden Prototypen getestet. "Es wurden bereits Hagelereignisse erkannt", sagt Tüchler. "Wir haben noch keine systematische Auswertung. Auf den ersten Blick sehen die Ergebnisse aber gut aus." (Alois Pumhösel, 3.8.2019)