Wieso regnet es in Gebirgsregionen mehr und auch häufiger?

Dazu gibt es einige Ansätze: Ist es eher eine zusätzliche Komponente der Bodenreibung, die Turbulenz auslöst und damit Hebung forciert oder ist es einfach der statische Widerstand, den ein Gebirge auf den Luftstrom ausübt und damit die Luft zur Hebung zwingt? Oder vielleicht beides?

Zu Beginn gehen wir zunächst von der bekannten Tatsache aus, dass die Luft mit all ihrer Feuchtigkeit und damit auch die Wolken, die sich einem Gebirge nähern, irgendwann so etwas wie einen Rückstaueffekt zu spüren bekommen und da sie nirgend woanders hinkönnen, ziehen sie am Berghang hoch und falls sie das noch nicht getan haben, entleeren sie sich auch. Apropos hinziehen, etwas anders sieht es aus, wenn das Hindernis in der horizontalen Längsrichtung nicht so gut ausgebildet ist. Dann nämlich kann der Berg auch zumindest teilweise umströmt werden. Das ist ein guter Aufhänger zum nächsten Faktor: dem Anströmwinkel. Das ist der Winkel, mit dem die Strömung relativ zum Berg verläuft. Wenn dieser Winkel genau 90 Grad beträgt, also die Wolken rechtwinklig auf unseren Berg zurasen, dann gibt es erwartungsgemäß auch die stärkste Hebung und die stärksten Niederschläge, weil sich die gehobene Luft abkühlt und irgendwann kondensiert. Und Hebung deshalb, weil dann die
Vertikalgeschwindigkeit (oder Auftrieb) ein Maximum besitzt (siehe beigefügte Grafik zum Relief eines orografischen Übergangsbereichs mit entsprechender Darstellung der Vertikalgeschwindigkeit als Funktion der Entfernung vom Hindernis x/L sowie dem Anströmwinkel Phi. Auf der rechten Grafik ist dabei die Nulllinie als Gratlinie zu verstehen, positive Werte der Vertikalgeschwindigkeit sind auf der Luvseite des Berges oben zu sehen, wohingegen negative Werte auf der Leeseite, also unten dargestellt sind. Die linke Grafik zeigt dagegen eine idealisierte Darstellung eines Gebirges mit der Entfernung zum Gebirge hin und vom Gebirge weg (x/L) sowie die Bewegung entlang des Gebirges (y/L).

Soweit so gut. Aber was passiert, wenn der Anströmwinkel 0 Grad beträgt, der Berg also komplett horizontal umströmt wird? Wie man auf der Grafik sieht, verschwindet dann die Vertikalgeschwindigkeit nicht komplett, d.h. es findet weiterhin Hebung statt. Man kann sich das so vorstellen, dass die Strömung, also der Wind trotzdem den Widerstand des Gebirges spürt und so aus dem ursprünglich glatten Horizontalwind auch vertikale Windkomponenten erzeugt werden. Die Hebung verschwindet gemäß Grafik allerdings bei einem Korrekturwinkel - Phi, der auch Verschiebungswinkel genannt wird und diesem Umstand Rechnung trägt.

Nachdem wir das geklärt haben, jetzt noch zu einem weiteren Effekt, den man der Grafik entnehmen kann. Ja, auch die Entfernung vom Hindernis (x/L) spielt eine Rolle und so ist es nicht verwunderlich, warum es auch im Gebirgsvorland stärker regnet oder schneit als im angrenzenden Flachland. Dabei komme ich auf den anfänglich angesprochenen Rückstaueffekt zurück, durch den die anströmende Luftmasse ähnlich wie eine Welle zusammengestaucht wird. Auf der rechten Grafik oben ist gut zu sehen, wie die Vertikalgeschwindigkeit mit zunehmendem Abstand vom Gebirgskamm zwar deutlich abnimmt, aber nicht gänzlich verschwindet.

Übrigens kann man auch mal den Blick hinter das Gebirge wagen: Auf der rechten Grafik sieht man dort auf der unteren Seite, wie die Vertikalgeschwindigkeit im Lee des Gebirges recht symmetrisch negativ ist, also dort Absinken vorherrscht, was zu Wolkenauflösung führt.

Aber ganz ehrlich: so idealisiert wie auf der Grafik sieht kein Gebirge der Welt aus. In der Realität ist ein Gebirge in sich selbst noch viel komplexer, wie z.B. durch nicht konstante Hangneigung, Ausrichtung, Form, Breite, Übergangsformen, Hochtäler etc.etc.

Nun, was hat das alles mit der oben angesprochenen Bodenreibung zu tun?

Jede Rauigkeit erzeugt Turbulenz, die so genannte turbulente Reibung. Das kann man sich so vorstellen, dass sich durch die chaotische Luftbewegung (in verschiedene Richtungen) die Luftteilchen aneinander reiben und sich so in andere Richtungen ablenken. Das kann je nach Art und Beschaffenheit der Rauigkeit zu Luftverwirbelung führen. Die so entstandenen kleinen Wirbel können gerade mit Unterstützung von atmosphärischen Fronten oder auch orografischen Hindernissen durch ihre Sogwirkung (Druckfall am Boden) die Vertikalgeschwindigkeit zusätzlich forcieren.

Ja gut, aber nicht jeder kleine Hügel oder jede schwach ausgeprägte Front bringt diese zusätzlichen Effekte.

Zusammenfassend lässt sich festhalten: ja, beide Effekte ergänzen sich, d.h. die Bodenreibung oder auch Rauigkeit erzeugt indirekt zusätzlichen Auftrieb und der mechanische Widerstand des Gebirges bewirkt einen Staueffekt, der ebenso Hebung erzwingt.
Eine derartige mathematische Beschreibung für die Vertikalgeschwindigkeit z.B. für orografisch strukturierte Gebiete oder auch für dicht und hoch bebaute Ballungsgebiete könnte generell (und im Spezialfall) die Modellgenauigkeit weiter verbessern. Zumal gerade die Auflösung des Niederschlags und der Orografie bzw. der Rauigkeit immer noch so etwas wie eine kleine Baustelle selbst bei den hochauflösenden Modellen darstellt.

Dr. rer. nat. Jens Bonewitz
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 28.06.2019