Modul 1 – Beobachtung und Messung von Hagel

Lösungsvorschlag

• Die einzige Möglichkeit für eine flächendeckende Erfassung von Hagel bietet das Wetterradar. Das Wetterradar misst jedoch nur die Situation in der Atmosphäre, d. h. es bleibt unklar, ob und in welcher Grösse die Hagelkörner den Boden erreichen und zu Schäden führen.
  • Film «Wie funktioniert ein Radar» von MeteoSchweiz (Video 1, 3:54 Minuten)
  • Animation der Radar-Reflektivität eines grossen Hagelereignisses am 28.06.21 (Video 2)
  • Weiterführende Informationen siehe unter «Indirekte Messung von Hagel in der Atmosphäre»
• Die grösste Herausforderung ist die sogenannte Bodenwahrheit, also die Messung von Hagel am Boden. In der Schweiz sind aktuell 80 Hagelsensoren am Boden operativ im Einsatz, welche auf die drei Regionen mit der grössten Hagelwahrscheinlichkeit verteilt sind: die Napfregion, der Jura und das Südtessin. Die übrigen Regionen der Schweiz sind nicht abgedeckt.
  • Film «Das Schweizer Hagelmessnetz ­– für ein besseres Verständnis von Hagel» (Youtube, 3:25 Minuten)
  • Karte des Schweizer Hagelmessnetzes (Abb. 4)
  • Weiterführende Informationen siehe unter «Direkte Messung von Hagel auf der Erdoberfläche»
• Eine weitere Möglichkeit ist die Erfassung von Hagelmeldungen aus der Bevölkerung. Die Bevölkerungsmeldungen sind eine wichtige Datenquelle zur Erweiterung der Bodeninformationen und der Überprüfung der Radardaten (vgl. erster Punkt).
  • Film «Erfassung Bevölkerungsmeldung» (Video 3, 1:00 Minuten) 
  • Weiterführende Informationen siehe unter «Beobachtung von Hagel»
• Durch die Kombination mehrerer Informations- und Datenquellen (Radar, Hagelsensoren und Hagelmeldungen (vgl. Punkte 1-3) verfügt die Schweiz über eine gute Datengrundlage, um Hagel zu erfassen. Die Erforschung von Hagel hat in den letzten Jahrzehnten viele Fortschritte gemacht. Dennoch sind wir weiterhin mit Herausforderungen konfrontiert.
  • Weitere Informationen siehe unter «Herausforderungen, Entwicklungen und Forschung»

Hintergründe zum Lösungsvorschlag

Indirekte Messung von Hagel in der Atmosphäre

Eine Möglichkeit, flächendeckende Informationen über Hagel zu erhalten, ist die indirekte Messung mittels Radars. Das Schweizer Wetterradarnetz besteht aus 5 vollautomatischen Radaren, welche von der Erdoberfläche aus Tag und Nacht die Atmosphäre über der gesamten Schweiz mit Radarbildern in Echtzeit erfassen.

Das Wetterradar misst die Reflektivität (Z) von Wasserpartikeln in der Atmosphäre, also von den sogenannten Hydrometeoren. Dies können Regentropfen, Hagelkörner oder Eiskristalle sein. Je grösser ein Hydrometeor, umso höher die Reflektivität (angegeben in Dezibel (dBZ)). Grob kann die Reflektivität wie folgt klassifiziert werden:

Direkte Messung von Hagel auf der Erdoberfläche

Bei der direkten Hagelmessung werden auf der Erdoberfläche die Grössen von Hagelkörnern quantifiziert. Solche Messungen wurden in der Schweiz bereits in den 1970er-Jahren mit sogenannten «Hailpads» vorgenommen (Abb. 3, links). Dies sind Schaumstoffmatten, welche mit einer Aluminiumfolie oder Latexfarbe überzogen sind. Die Pads werden in einer Höhe von einem Meter über dem Boden installiert. Wenn ein Hagelkorn auf einem Pad auftrifft, so hinterlässt es eine Delle. Anhand der Grösse und Verteilung der Dellen können Rückschlüsse auf die Korngrösse und -verteilung gezogen werden. Nach jedem Hagelsturm werden die Pads eingesammelt und neue installiert.

Seit 2015 werden in der Schweiz automatische Sensoren zur Messung von Hagel verwendet (Abb. 3, rechts). Diese bestehen aus einer Makrolonscheibe (eine harte Form von Plexiglas) mit einem Durchmesser von 50 cm. Beim Aufprall eines Hagelkorns beginnt die Scheibe zu schwingen. Ein hochsensibles Mikrofon zeichnet die Schwingungen auf. Diese Hagelsensoren liefern Daten zur kinetischen Energie, der Korngrösse und dem genauen Zeitpunkt des Hagelschlags. Schweizweit sind aktuell im Jahr 2023 80 automatische Sensoren in Betrieb, allesamt in Regionen mit erhöhter Hagelwahrscheinlichkeit.

Beobachtung von Hagel

Um die Lücke zwischen den Radarinformationen aus der Atmosphäre und den punktuell verfügbaren Bodenmessungen von Sensoren zu schliessen, werden seit einigen Jahren Beobachtungsmeldungen aus der Bevölkerung gesammelt. Diese erhöhen die verfügbare Information am Boden und erlauben es, die Radaralgorithmen zur Atmosphäre zu verifizieren.
2015 lancierte MeteoSchweiz gemeinsam mit dem Mobiliar Lab für Naturrisiken der Universität Bern eine Meldefunktion für Hagel, die in der MeteoSchweiz-App integriert ist. So haben Benutzer*innen die Möglichkeit, ein Hagelereignis an ihrem Standort zu erfassen und die beobachtete Korngrösse zu melden. Um die Abschätzung der Grösse zu vereinfachen, werden einfach fassbare Kategorien verwendet. Es kann so zum Beispiel abgeschätzt werden, ob die Hagelkörner in der Umgebung eher der Grösse von Kaffeebohnen oder Einfränkler entsprechen. Es kann auch «kein Hagel» erfasst werden.

Analyse eines Extremereignisses 

Am 28. Juni 2021 kam es im Schweizer Mittelland zu einem aussergewöhnlich grossen Hagelereignis. Dieses kann nicht nur anhand der Radardaten (Video 2., Abb. 7) rekonstruiert werden, sondern für den Tag wurden auch aussergewöhnlich viele Bevölkerungsmeldungen erfasst (Video 5, Abb. 8).

Wie verlief das Ereignis vom 28. Juni 2021 gemäss den verschiedenen Datenquellen zu Hagel?

Analysieren Sie den Ablauf zum Hagelereignis vom 28.6.2021 anhand der Videos 2, 4 und 5, den Abbildungen 7 und 8 sowie anhand Ihrer eigenen Internetrecherche. Vergleichen Sie die Daten des Radars, der Hagelsensoren und der Hagelmeldungen miteinander. Identifizieren Sie besonders stark betroffene Regionen.

Lösungsvorschlag

• Das Hagelereignis vom 28.06.2021 war aus mehreren Gründen extrem:
  • Hohe Intensität: Mehrere grosse Gewitterzellen mit starker Konvektion schlossen sich zu einem grossen Gewittersystem zusammen.
  • Grossflächig: Die Fläche mit maximal zu erwartenden Korngrössen (MESHS) von mehr als 4 cm umfasst grosse Teile des Schweizer Mittellands.
  • Hagelkorngrösse: MESHS verzeichnete mögliche Korngrössen bis 9.2 cm. Beobachtet wurden Hagelkörner von bis zu 9 cm.
  • Stark besiedeltes Gebiet war betroffen, wodurch viele Bevölkerungs- und Schadenmeldungen eingingen (z. B. aus Wolhusen (LU), Bulle (FR), Uster (ZH))
• Die Radar-Algorithmen und die Bevölkerungsmeldungen stimmen gut miteinander überein bezüglich der betroffenen Regionen und auch der Intensität.
• Nur ein Hagelsensor konnte wenig Hagelschlag messen. An allen anderen Sensoren zog das Ereignis vorbei.

Hintergründe zum Lösungsvorschlag

Herausforderungen, Entwicklungen und Forschung

Eine flächendeckende Messung von Hagel ist eine grosse Herausforderung für die Wetterdienste. Die Kombination von radarbasierten Hagelalgorithmen, dem neuen Hagelmessnetz mit automatischen Hagelsensoren und Beobachtungsmeldungen der Bevölkerung über die MeteoSchweiz-App ist innovativ und weltweit einzigartig (Kopp et al., 2022).

Die radarbasierten Hagelalgorithmen POH und MESHS sind zwar flächendeckend, können jedoch nur Schätzungen zu der effektiv am Boden eintreffenden Hagelkorngrösse und -verteilung liefern. Diese Schätzungen sind davon abhängig wie gut die verwendeten Algorithmen sind. Um Hagelalgorithmen zu verifizieren, sind Messungen am Boden nötig. So wurden in der Schweiz zuletzt 2012 die POH- und MESHS-Algorithmen anhand von Versicherungsdaten und Online-Quellen verifiziert (Betschart und Hering, 2012).
Mit den neuen Datenquellen aus Sensoren und Bevölkerungsmeldungen können in Zukunft die Algorithmen weiter optimiert werden. Dafür ist jedoch auch ein besseres Verständnis zur Entstehung und zum Ablauf eines Hagelereignisses nötig. Auch hierbei können die Hagelsensoren einen wichtigen Beitrag leisten. Sie ermöglichen erstmals ein genaues Messen der Aufprallenergie, der Korngrössenverteilung und des genauen Zeitpunkts des Hagelschlags (Mobiliar Lab für Naturrisiken).
Dies sind wertvolle Informationen, die jedoch nur punktuell am Sensorstandort erfasst werden können. Eine flächendeckende Messung von Hagel durch ein dichteres Sensornetz, wie es in der Schweiz z. B. für den Niederschlag vorhanden ist, wird auch in Zukunft nicht möglich sein. Dies, da Hagelereignisse lokal auftreten und durch punktuelle Messungen nicht oder nur bedingt Rückschlüsse auf das Hagelvorkommen in anderen Regionen gezogen werden können.

Die ergänzenden Informationen durch die Hagelmeldungen aus der Bevölkerung sind eine wichtige Informationsquelle, um die geringe Datenmenge von Bodenmessungen zu erhöhen. Die Datenerfassung über die Bevölkerung bringt jedoch eigene Herausforderungen und Fehlerquellen mit sich. Beispielsweise bei der Schätzung der Korngrösse oder der genauen Angabe von Ort und Zeit. Mit den von Barras et al. (2019) entwickelten Algorithmen lassen sich Meldungen so filtern und verifizieren, dass die Beobachtungsdaten insgesamt trotz einzelnen Falschangaben bei der Erfassung eine qualitativ gute Informationsquelle sind.

Die Daten aus den drei verschiedenen Quellen (Radar, Bodensensoren und Beobachtungen) sind in der Forschung rund um Hagel sehr wertvoll. Sie ermöglichen ein vertieftes Verständnis zur Entstehung und Entwicklung von Hagelereignissen. Dadurch kann auch die kurzfristige Vorhersage von Hagel (Nowcasting, siehe Modul 4 – Hagel, Klimawandel und Risikoentwicklung) verbessert werden.
Ausserdem kann anhand der Datenquellen langfristig ein gut aufgelöster Datensatz erstellt werden, der Informationen zur saisonalen und räumlichen Verteilung, Korngrössen und Wiederkehrperioden von Hagelereignissen liefert. Zuletzt wurde 2021 eine neue solche Hagelklimatologie der Schweiz veröffentlicht, die auf Radardaten ab 2002 basiert (siehe Modul 2).

Quellen

Barras, H., Hering, A., Martynov, A., Noti, P. A., Germann, U., & Martius, O. (2019). Experiences with> 50,000 crowdsourced hail reports in Switzerland. Bulletin of the American Meteorological Society, 100(8), 1429-1440.

Nisi, L., Martius, O., Hering, A., Kunz, M., & Germann, U. (2016). Spatial and temporal distribution of hailstorms in the Alpine region: a long‐term, high resolution, radar‐based analysis. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 142(697), 1590-1604.

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.

Kopp, J., Schröer, K., Schwierz, C., Hering, A., Germann, U., & Martius, O. (2022). The summer 2021 Switzerland hailstorms: weather situation, major impacts and unique observational data. Weather.

Schröer, K., Trefalt, S., Hering, A., Germann, U., Schwierz, C. (2022). Hagelklima Schweiz: Daten, Ergebnisse und Dokumentation, Fachbericht MeteoSchweiz, 283, pp. 78.

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.