Hagel in der Schweiz

Hagel ist nach Hochwasser die schadenreichste Naturgefahr, welche die Schweiz im Sommer regelmässig heimsucht. Obwohl es sich bei Hagelstürmen oft um kleinräumige Ereignisse handelt, kommt es in der Schweiz jedes Jahr zu Hagelschäden in Millionenhöhe. Meist in Kombination mit Starkniederschlag führen Hagelstürme zu Schäden an Gebäuden, Infrastruktur, Fahrzeugen, Landwirtschaft und auch an Personen.

Video 1: «Sommer der Unwetter in der Schweiz»: Hagelereignisse im Sommer 2021 mit vielen Schäden in der gesamten Schweiz. Beitrag SRF 10 vor 10 nach dem Extremereignis vom 28. Juni 2021 (4:22 Minuten). ©SRF

In den vergangenen Jahren wurden das Wissen und die Datenverfügbarkeit rund um Hagel in der Schweiz stark weiterentwickelt. Unter anderem hat das Mobiliar Lab für Naturrisiken an der Universität Bern einen Forschungsschwerpunkt zum Thema Hagel gesetzt. Die vorliegenden Lernmodule für die Sekundarstufe II basieren auf dem aktuellen Stand (2023) des Forschungs- und Praxiswissens rund um Hagel und können unabhängig voneinander bearbeitet werden.

Entstehung von Hagel

Hagel tritt vorwiegend im Sommerhalbjahr gemeinsam mit Gewittern auf. Damit Hagel entstehen kann, sind starke Aufwinde innerhalb der Gewitterwolke nötig.

Bildung von Gewittern

Eine wichtige Voraussetzung für die Bildung von Gewittern ist eine sogenannt potenziell instabile Schichtung (Änderung der Temperatur mit der Höhe) der Atmosphäre. Potenzielle Instabilität besteht oft dann, wenn eine warme und feuchte Luftschicht unter einer relativ kalten und trockenen Luftschicht lagert. Wird die untere Luftschicht genügend angehoben, z. B. wenn sie an einem Gebirge aufsteigt, so sind die aufsteigenden Luftmassen wärmer und somit von geringerer Dichte als die Umgebungsluft. Dadurch erhalten die warmen Luftmassen Auftrieb. Beim Aufstieg der warmen und feuchten Luftschicht, kühlt diese ab und der in der Luft enthaltene Wasserdampf beginnt zu kondensieren. Die bei der Kondensation freigesetzte (Wärme-)Energie verstärkt das Aufsteigen der Luftmassen. Es entsteht Konvektion. Grosse Gewitterwolken erreichen in den mittleren Breiten eine Höhe von bis zu 12 km und es bilden sich Aufwinde mit Geschwindigkeiten von bis zu 150 km/h.

Hagelbildung

Bei hoher potenzieller Instabilität in der Atmosphäre kann es bei der Konvektion zu Gewittern mit starken Aufwinden kommen. Diese sind nötig, damit Wasser und Eiskörner in der Wolke über eine genügend lange Zeitdauer in der Luft gehalten werden und sich somit Hagel bilden kann. Der Prozess der Hagelbildung ist in Abbildung 2 schematisch dargestellt. Aufsteigende feuchte Luftmassen kühlen sich ab und erreichen ab einer bestimmten Höhe das Kondensationsniveau, wo der Wasserdampf zu kondensieren beginnt und sich kleine Wassertröpfchen bilden (Ziffer 1 in Abb. 2). Die Wassertröpfchen werden durch die Aufwinde in die Höhe getragen. Erreichen sie eine Höhe oberhalb des Gefrierpunkts, sprich der 0 °C-Grenze, gefriert ein Teil der aufsteigenden Wassertröpfchen zu Eiskörnern und bildet die Hagelembrios. Das restliche Wasser bleibt auch bei Minustemperaturen flüssig, dies nennt man «unterkühltes Wasser». Durch die Kollision der Hagelembrios mit unterkühltem Wasser oder Eiskristallen wachsen Hagelkörner heran. Von einem Hagelkorn spricht man ab einer Grösse von 5 mm.

Je länger ein Hagelkorn in der Luft gehalten wird und sich weiter unterkühltes Wasser anlagern kann, desto grösser wird es. Wird es schwer genug, fällt das Hagelkorn nach unten (Ziffer 2 zu 3 in Abb. 2). Beim Fallen wächst das Korn weiter an durch die Kollision mit Eiskristallen, unterkühltem Wasser und – weiter unten in der Wolke – mit Wassertröpfchen. Wird das Hagelkorn erneut von genügend starken Aufwinden erfasst, wird es wieder aufsteigen und wachsen, bis es erneut nicht mehr von den Aufwinden getragen werden kann (Ziffer 3 zu 4 in Abb. 2). Dieser Prozess kann sich mehrere Male wiederholen.

Durch das Auf- und Absteigen innerhalb der Wolke erhalten Hagelkörner einen zwiebelförmigen Aufbau mit erkennbar unterschiedlichen Schichten (vgl. Abb. 3). Die Schichten entstehen durch zwei verschiedene Wachstumsprozesse. In den unteren, wärmeren Schichten kollidieren Hagelkörner mit Wassertröpfchen oder unterkühltem Wasser, wobei sich eine dünne flüssige Hülle um das Korn bildet. Diese gefriert zu einer klaren, durchsichtigen Eisschicht. In den oberen Zonen der Wolke, wo die Temperatur um die -40 °C ist, gefriert das unterkühlte Wasser zu Eiskristallen, welche bei einer Kollision direkt ans Hagelkorn gebunden werden. Dadurch entstehen Lufteinschlüsse oder Luftblasen und es bildet sich eine trübe, undurchsichtige Eisschicht.

Sind die Aufwinde zu schwach, um die wachsenden Eiskörner zu tragen, fallen diese aus der Wolke auf die Erdoberfläche (Ziffer 6 zu 7 in Abb. 2). Während des Falls durch die wärmere Luft beginnen die Hagelkörner zu schmelzen. Schmilzt ein Hagelkorn auf dem Weg zum Boden komplett, wird es zu einem Regentropfen. Andernfalls erreicht es den Boden als Hagelkorn.

Hagelkörner können innerhalb der Wolke die Grösse eines Fussballs erreichen, wobei sie im gesamten Abwärtsflug bis auf die Hälfte schmelzen. In der Schweiz sind in den letzten Jahrzehnten extreme Hagelkorngrössen von bis zu 10 cm Durchmesser beobachtet worden. Historische Quellen eines Hagelsturms im Jahr 1927 sprechen gar von Hagelkörnern mit 13 cm Durchmesser. Das vermutlich grösste je beobachte Hagelkorn weltweit hatte einen Durchmesser von über 20 cm (severe-weather.eu, 2020).

Abb. 3: Schichtaufbau eines Hagelkorns. © Christiane Heuser / pixelio.de
Siehe auch:

Quellen

Korosec, M. (2020). World’s largest hail record may be challenged by exceptionally large 20+ cm (8 inches) hailstones hit the capital of Libya on Tuesday, Oct 27th. In: Severe Weather Europe. URL: https://www.severe-weather.eu/global-weather/large-giant-hail-libya-mk/, eingesehen: 26.01.2023.

Lohmann, U., Lüönd, F., & Mahrt, F. (2016). An introduction to clouds: From the microscale to climate. Cambridge University Press.

Lernmodule zum Thema Hagel

Modul 1 – Beobachtung und Messung von Hagel

Das erste Modul behandelt verschiedene Methoden zur Messung und Beobachtung von Hagel und stellt die in der Schweiz verwendeten Datenquellen vor (Radar, automatische Hagelsensoren, Bevölkerungsmeldungen).

Modul 2 – Hagelvorkommen in der Schweiz

Das zweite Modul stellt die Hagelklimatologie der Schweiz vor, welche die regionalen und saisonalen Hagelhäufigkeiten und Korngrössenverteilungen beschreibt. Zudem werden die Hagelgefährdungskarten nach Wiederkehrperioden vorgestellt.

Modul 3 – Hagelrisiko und Schutz vor Hagel

Dieses Modul behandelt Schäden, die durch Hagelereignisse entstehen, und mögliche Schutzmassnahmen. Zudem wir der Risikobegriff eingeführt, der sich aus Gefahrenpotenzial, Schadenpotenzial und Verletzlichkeit zusammensetzt.

Modul 4 – Hagel, Klimawandel und Risikoentwicklung

In diesem Modul werden die zu erwartenden Veränderungen von Hagelereignissen in einem wärmeren Klima thematisiert. Dabei wird einerseits das Prozessverständnis zur Hagelentstehung vertieft und andererseits werden die damit verbundenen Unsicherheiten aufgezeigt. Weiter kommt die Veränderung des Hagelrisikos in Zukunft zur Sprache, mit Fokus auf die Entwicklung des Schadenpotenzials.

Zielgruppe und Lehrplan

Die vorliegenden Lernmodule für die Sekundarstufe II knüpfen an Themen des Lehrplans im Fach Geographie an:
  • Meteorologie: Entstehung von Gewittern und Konvektion (Einführungsseite, Modul 1 und Modul 4)
  • Naturgefahren (Modul 2 und 3)
  • Risiko von Naturgefahren (Modul 3 und 4)
  • Klimawandel (Modul 4)
  • Geographische Darstellungsmethoden, thematische Karten (Modul 2)

Aufbau Module und Einsatz im Unterricht

Die vier Lernmodule können unabhängig voneinander im Unterricht eingesetzt werden. Verweise zwischen den Modulen verdeutlichen bestehende Zusammenhänge. Grundsätzlich ist vorgesehen, dass vor dem Bearbeiten einzelner Module die Einstiegsseite mit der kurzen Einführung zur Entstehung von Hagel vertieft wird.

Die Module haben folgenden Aufbau:

Hinführung, Fragestellung und Aufgabenstellung

 

Kurze Einführung und direkter Übergang zur Frage- und Aufgabenstellung

Lösungsvorschlag

  • Lösungsvorschlag in Stichworten
  • Hintergründe zum Lösungsvorschlag

Der Lösungsvorschlag wird kurz und stichwortartig präsentiert mit Links zu weiterführenden Quellen. Im Unterkapitel «Hintergründe zum Lösungsvorschlag» werden relevante Aspekte zum Modul und zur Fragestellung vertieft erläutert.

Weiterführende Aufgabenstellung

Die zweite Aufgabestellung dient dem vertieften Verständnis des Themas und ermöglicht die Anwendung des Gelernten.

Lösungsvorschlag weiterführende Aufgabenstellung

Der kurze, stichwortartige Lösungsvorschlag dient der Sicherung der Ergebnisse und enthält teilweise weiterführende Hintergrundinformationen.

Weiterführende Informationen, Quellen

Allfällige weiterführende Informationen zum Thema des Lernmoduls, welche über die konkrete Fragestellung hinausgehen.
Angabe der für das Modul verwendeten Quellen.

 
Name Beschrieb
Gefahrenpotenzial Gibt an, wie häufig und intensiv eine Naturgefahr in einer bestimmten Region eintreten kann. Siehe auch ausführlichere Beschreibung in Modul 3.
Graupel Graupel entsteht durch Anfrieren von unterkühltem Wasser an (angetauten) Schneeflocken. Graupel sieht ähnlich aus wie Hagel, hat aber per Definition einen Durchmesser unter 5 mm und kommt vor allem im Winter vor. Es wird zwischen verschiedenen Arten unterschieden: Reifgraupel, das sind trübe, weiche Eisbällchen, und Frostgraupel, Eisbällchen mit trübem Kern umhüllt von klarem Eis.
Hagel Niederschlag in Form von Eiskugeln oder Eisklumpen ab einem Durchmesser von 5 mm.
Hagelereignis Hagelgeschehen, welches sich innerhalb eines Tages in der Schweiz abspielt.
Hagelkorngrösse Die Hagelkorngrösse bezieht sich auf den Durchmesser eines Hagelkorns. Diese kann mit dem Lineal gemessen werden oder durch den Vergleich mit Referenzobjekten (z. B. Münzen). Für die Bestimmung der Korngrösse mittels Radarbeobachtung werden Rechenalgorithmen eingesetzt (siehe MESHS).
Hageltag Grundsätzlich ein Tag an dem es in der Schweiz oder einer bestimmten Region Hagel auftritt. Die Annäherung mit Radarbeobachtungsdaten basiert auf dem Rechenalgorithmus POH. Als Hageltag wird für einen Ort ein Tag definiert, an welchem der Grenzwert der Hagelwahrscheinlichkeit POH ≥ 80 % überschritten wurde. 
Hagelzug Als Hagelzug wird die Zugbahn und der Wirkbereich einer einzelnen Gewitterzelle bezeichnet. Der Hagelzug wird durch den Gewittertracking-Algorithmus von MeteoSchweiz detektiert. 
Hydrometeor Alle flüssigen und festen Formen von Wasser, welche sich in der Atmosphäre, resp. einer Wolke befinden. Dies können beispielsweise Regentropfen, Schneeflocken, Graupel, Hagelkörner etc. sein. Hydrometeore können in der Luft schweben oder fallen, durch den Wind von der Erdoberfläche aufgewirbelt werden oder sich an Gegenständen bzw. am Erdboden absetzen.
Konvektion Konvektion bezeichnet vertikale Luftströmungen, wobei erwärmte Luft aufsteigt bei gleichzeitigem Absinken von kälterer Luft in der Umgebung. Bei Wärmegewittern kommt es zur Konvektion, wenn durch intensive Sonneneinstrahlung eine potenziell instabile Luftschichtung entsteht. Steigen feucht-warme Luftmassen auf, wird die Konvektion ausgelöst, da die warmen Luftmassen vom Boden Auftrieb erhalten.
LEHA LEHA steht für "Largest Expected Hail on a reference Area" und beschreibt das grösste zu erwartende Hagelkorn auf einer definierten kleineren Referenzfläche, als dem bei MESHS betrachteten Quadratkilometer. LEHA ist eine statistische Ableitung aus der Hagelkorngrösse MESHS. Das maximale bei MESHS erwartete Hagelkorn wird auf einer oder wenigen LEHA-Referenzflächen innerhalb des MESHS-Quadratkilometers erwartet. Die Wahrscheinlichkeit hierfür ist aber sehr klein. Auf der Mehrheit der kleineren Referenzflächen werden die LEHA-Grössen erwartet. (MeteoSchweiz, 2023)
MESHS Der Algorithmus MESHS (Maximum Expected Severe Hail Size) berechnet die maximal zu erwartende Hagelkorngrösse auf einer Fläche von 1 km2 (Treloar, 1998 und Joe et al., 2004).
POH Der Algorithmus POH (Probability of Hail) berechnet die Hagelwahrscheinlichkeit am Boden auf einer Referenzfläche von 1 km2 (Waldvogel et al., 1979 und Foote et al., 2005). POH gibt Aufschluss darüber, wie hoch an einem Standort die Wahrscheinlichkeit ist, dass es am Boden hagelt.
Potenzielle Instabilität Auch Potenzielle Labilität oder konvektive Labilität. Stabile Luftschicht, die beim Aufsteigen instabil wird. Somit können sich Konvektion bzw. Gewitter bilden. Typischerweise ist die Luftschicht in solchen Fällen oben relativ trocken und unten relativ feucht. Für mehr Informationen siehe hier
Radar Abkürzung für radio detection and ranging (grob «funkgestützte Ortung und Abstandsmessung»). Gerät, das elektromagnetische Wellen aussendet und die zurück reflektierten Strahlen misst. Dadurch können in der Meteorologie Grösse und Distanz von Hydrometeoren (Regentropfen, Schnee, Hagelkörner) und die Windgeschwindigkeit gemessen werden.
Reflektivität Die Reflektivität (Z) ist in der Radartechnik ein Mass für die elektromagnetische Strahlung, die von Wasserpartikeln in der Atmosphäre zum Radar zurück reflektiert wird. Sie ist abhängig von der Grösse und Anzahl der Hydrometeore in der Wolke (Regentropfen, Schnee, Hagelkörner). Die Reflektivität wird meist in der logarithmischen Einheit dBZ angegeben (dB = Dezibel, Z = Reflektivität).
Risiko Das Risiko von Naturgefahren setzt sich aus Gefahrenpotenzial, Schadenpotenzial und Verletzlichkeit zusammen. Es beschreibt, wie viele Personen, Tiere und Güter einer Gefahr ausgesetzt sind und wie hoch potenzielle Schadensummen sind.
Schadenpotenzial Beschreibt das Ausmass des möglichen Schadens in einem bestimmten Gebiet, d. h. die dem Gefahrenpotenzial ausgesetzten Schutzgüter. Dies können Menschen, Tiere und Sachwerte sein. Dabei kann zwischen beweglichen und unbeweglichen Schutzgütern unterschieden werden. Für bewegliche Schutzgüter wie z. B. für Fahrzeuge kann die Exposition und somit das Schadenpotenzial temporär reduziert werden. Siehe auch ausführlichere Beschreibung in Modul 3.
Verletzlichkeit Beschreibt die Anfälligkeit eines Objekts oder von Menschen auf Schäden durch eine Naturgefahr. Wird auch Vulnerabilität oder Schadenempfindlichkeit genannt. Siehe auch ausführlichere Beschreibung in Modul 3.
Vorsorgeprinzip Das Prinzip in der Umweltpolitik, nach welchem auch bei unischeren oder ungewissen Prognosen für die Zukunft gehandelt werden soll: Trotz Unsicherheiten sollen Massnahmen getroffen werden, um denkbare Belastungen und Schäden für die Umwelt, respektive für den Menschen, zu vermeiden oder weitmöglichst zu verringern. 

Quellen

Deutscher Wetterdienst (2022). Wetter- und Klimalexikon. URL: https://www.dwd.de/lexikon, Eingesehen: 23.01.2023

Foote GB, Krauss TW, & Makitov V. (2005). Hail metrics using convectional radar. In Proceedings of 16th Conference on Planned and Inadvertent Weather Modification, 10–13 January 2005. San Diego, CA: 1–6. American Meteorological Society: Boston.

Joe P, Burgess D, Potts R, Keenan T, Stumpf G, & Treloar A. (2004). The S2K severe weather detection algorithms and their performance. Weather and Forecasting 19: 43–63.

MeteoSchweiz (2023). Hagelklimatologie. Glossar – Begriffe rund um den Hagel. URL: https://www.meteoschweiz.admin.ch/klima/klima-der-schweiz/hagelklimatologie.html. Eingesehen: 23.01.2023

Treloar ABA. (1998). Vertically integrated radar reflectivity as an indicator of hail size in the Greater Sydney region of Australia. In Proceedings of 19th Conference on Severe Local Storms, 14–18 September 1998. Minneapolis, MN: 48–51. American Meteorological Society: Boston.

Waldvogel, A., Federer, B., & Grimm, P. (1979). Criteria for the detection of hail cells. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 18(12), 1521-1525.

Die Lernmodule Hagel wurden durch das Mobiliar Lab für Naturrisiken der Universität Bern erstellt. Das Projekt wurde didaktisch und fachlich von Expertinnen und Experten begleitet.

Autorin und Autor:
Tamara Baumann, Mobiliar Lab für Naturrisiken, Universität Bern
Dr. Matthias Probst, Geographisches Institut, Universität Bern; PH Bern; Gymnasium Burgdorf

Projektleitung:
Tamara Baumann, Mobiliar Lab für Naturrisiken, Universität Bern

Projektmanagement:
Prof. Dr. Olivia Romppainen-Martius, Mobiliar Lab für Naturrisiken und Geographisches Institut, Universität Bern
Rouven Sturny, Mobiliar Lab für Naturrisiken, Universität Bern

Begleitgruppe:
Dr. Cornelia Schwierz, Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie MeteoSchweiz
Dr. Benno Staub, Vereinigung Kantonaler Gebäudeversicherungen VKG
Prof. Dr. Olivia Romppainen-Martius, Mobiliar Lab für Naturrisiken und Geographisches Institut, Universität Bern

Kontakt:
Universität Bern
Geographisches Institut, Mobiliar Lab
Hallerstrasse 12
CH-3012 Bern

Tel: +41 31 684 88 39
E-Mail: mobiliarlab.oeschger@unibe.ch