Projekte zur Hagelabwehr

Eine Zusammenstellung von wissenschaftlichen Arbeiten, über die Wirkung und Wirksamkeit der Hagelabwehr.

Stand: Frühjahr 2002

Südwest-Wetter und Radar-Info

Wetterprognosen - Niederschlagsdaten - Unwetterfrühwarnung

Dr. Hermann Gysi

Roonstraße 18

76137 Karlsruhe

http://www.radar-info.de http://www.suedwest-wetter.de

1. Problemstellung

Hagelunwetter stellen weltweit eine ernsthafte Bedrohung für landwirtschaftliche Produktion, Immobilien und für im Freien deponierte Güter dar. Allein in der kanadischen Provinz Alberta erhöhten sich laut Schätzungen des Landwirtschaftsministeriums die durch Hagel verursachten Verluste im Getreideanbau von durchschnittlich 50 Mio. Euro pro Jahr in den 70er Jahren auf durchschnittlich mehr als 150 Mio. Euro pro Jahr in den 80er Jahren. Werden außerdem Städte von schweren Hagelgewittern heimgesucht, können die Schäden schnell die 500 Mio. Euro Grenze überschreiten. In anderen Gebieten wie zum Beispiel der Provinz Mendoza im Westen Argentiniens geht man von durchschnittlich 10 % Ernteverlust durch Hagel aus.

2. Methode und Wirkung

Die weltweit steigenden Schadensstatistiken lassen es als notwenig erscheinen, dass vielerorts versucht wird, die durch Hagel verursachten Schäden zu verringern. Neben der kleinräumigen, lokalen Abwehr durch Schutz der Kulturen mit Hagelnetzen geschieht dies üblicherweise durch Impfung der potenziellen Hagelgewitterzellen im Frühstadium der Entwicklung mit Silberjodid. Dabei werden in unterschiedlichen Regionen und Projekten zwei unterschiedliche Methoden eingesetzt:

Die Impfung der Gewitterzellen mittels Raketen vom Boden aus (russische Methode) und
die Impfung der Gewitterzellen mit Flugzeugen.

Bei beiden Methoden geht man davon aus, dass durch das Einbringen einer großen Anzahl von zusätzlichen Kristallisationskeimen eine Konkurrenzsituation um das im Aufwind verfügbare Wolkenwasser entsteht. Dadurch bilden sich mehr, aber vom Durchmesser her kleinere Hagelkörner, die dann bis zum Auftreffen am Boden weitgehend wieder geschmolzen oder zumindest so klein sind, dass sie keine nennenswerten Schäden mehr verursachen können.

Die Impfung mit Flugzeugen stellt sich allgemein als effizienter dar, weil die Keime einerseits über längere Zeit und andererseits direkt in die Luftmassen freigesetzt werden, die in das Gewitter einströmen. Dagegen ist das Impfen mit Raketen kurz und einmalig und erfolgt zudem meistens nicht an den optimalen Stellen.

Bei der Impfung mit Flugzeugen werden normalerweise zwei Maschinen gleichzeitig eingesetzt, eine für die Impfung des unteren Einströmungsbereichs ins Gewitter und eine für den mittleren Einströmungsbereich. Dies ist wichtig, weil beide Luftströme gleichermaßen zur Hagelentwicklung beitragen und weil zudem speziell bei großen Gewitterkomplexen nur so Kristallisationskeime in genügend großer Anzahl in die Zone der Hagelentwicklung eingebracht werden können.

Die ungefähren Positionen beim Impfen mit zwei Flugzeugen sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

3. Zusammenstellung von Veröffentlichungen zur Hagelabwehr mit Raketen

Neue Analysen des in Südwestfrankreich (Region Bordeaux) praktizierten Impfens mit kleinen Bodenraketen zeigen für den Zeitraum zwischen 1988 und 1995 eine Verringerung der Hagelenergie um 15 % für alle Gewitter und eine Verringerung um 25 % für die nach Osten ziehenden Gewitter. Allgemein geht man davon aus, dass die Verringerung bei einer Impfung mit Flugzeugen deutlich gröer ausfallen könnte. (http://www.wmi.cban.com/hail.html)

Gewitterimpfung mit Bodenraketen wird außer in Südwestfrankreich auch in Südosteuropa und den Ländern der ehemaligen Sowjetunion praktiziert.

In den ehemals jugoslawischen Republiken wurde dazu ein dichtes Netz von Posten am Boden geschaffen (5 km Gitterlänge), die bei aufziehenden Gewittern benachrichtigt werden und dann die Abwehrraketen abschießen. Die Informationen darüber, ob Gewitter im Entstehen sind, werden mit Radargeräten erfasst und per Funk an die jeweiligen Posten übermittelt. Dazu wird eigens ein flächendeckendes Netz von Radargeräten aufgebaut (baugleiche Geräte wie das seit 1999 im Abwehprojekt im Großraum Stuttgart eingesetzte Karlsruher Niederschlagsradar). Die serbischen Betreiber der Radargeräte wurden für die Bedienung der Software und die Erkennung von Hagelzellen vom Autor im Hause des Radarherstellers (Gematronik in Neuß) geschult.

Auch in der Provinz Mendoza in Westargentinien, einer der am meisten von Hagelgewittern betroffenen Regionen der Welt, wird seit 1985 Hagelabwehr nach der russischen Methode betrieben. Die Methode ist in den letzten Jahren automatisiert worden, so dass anhand von Radarmessungen der entstehenden Gewitterzellen automatisch die notwendige Menge Silberjodid (d.h. die Anzahl der notwendigen Raketen) berechnet wird und anhand der Zugbahn der Gewitterzellen automatisch die entsprechenden Startplätze aktiviert werden.

(http://www.gfz-potsdam.de/ewc98/abstract/abshaev.html)

Seit 1998 ging man in Mendoza dazu über, die Impfung mit Kristallisationskeimen zusätzlich auch von Flugzeugen aus vorzunehmen. Ein Projekt hierzu ist von der Firma Wetter Modifikation Inc. (WMI) von Fargo, Norddakota zusammen mit dem Ministerium für Wirtschaft, der Regierung von Mendoza, Argentinien initiiert worden. Eingesetzt werden dabei insgesamt vier Flugzeuge. Begleitend wurde ein Forschungs- und Auswertungsprogramm ins Leben gerufen, um die Auswirkungen des Impfens auf die Hagelentwicklung zu untersuchen. Abschließende Resultate sind noch nicht verfügbar, doch im ersten Jahr seit Einführung der neuen Methode wurden die geringsten Hagelschäden der vergangenen zehn Jahre verzeichnet. Im zweiten Jahr des auf fünf Jahre angesetzten Abwehrprojekts lagen die Schäden allerdings etwa in der Größenordnung des zehnjährigen Durchschnitts, so dass statistisch gesicherte Informationen über den positiven Effekt noch nicht vorliegen.

(http://www.uncu.edu.ar/nueva/investig/secyt/publica/publica1.html)

4. Zusammenstellung von Veröffentlichungen zur Hagelabwehr mit Flugzeugen

Hagelabwehr mit Flugzeugen wird neben einigen Regionen in Deutschland (Regionen Rosenheim und Stuttgart) und Österreich (Wachau/Krems und Steiermark) in Spanien und Griechenland und vor allem in den USA und in Kanada betrieben.

Die Resultate des griechischen nationalen Hagelabwehrprojekts wurden im Journal für Wettermodifikation veröffentlicht (Rudolph et al., 1994). Die statistische Analyse der Hageldetektoren (Styropormatten) in vergleichbaren Regionen, in denen geimpft und nicht geimpft wurde, ergibt für die Jahre 1984 bis 1988 eine Abnahme der Anzahl der Hagelkörner um 52 %, eine Verringerung der beschädigten Flächen um 19 %, eine Verringerung der maximalen Korngröße um 34 % und eine Verringerung der Hagelenergie um 74 %.

Die staatlichen Ausgaben für die Subventionierung der Ernteversicherung reduzierten sich dabei laut Rudolph während des über fünf Jahre dauernden Experiments jeweils zwischen 18 % und 59 %, wodurch ein Großteil der Projektkosten gedeckt werden konnten.

Das Abwehrprojekt wird seit 1997 mit insgesamt zwei Flugzeugen auf einer Fläche von 2340 km² weitergeführt

In Leon (Spanien) wird seit 1986 Hagelabwehr betrieben. Um die Effizienz der Hagelabwehr zu untersuchen, wurde 1993 eine Fläche von ca. 7000 km² mit Detektoren ausgestattet, wobei auf der einen Hälfte der Fläche teilweise Hagelabwehr betrieben wurde und auf der anderen Hälfte nicht.

Die Resultate sind sehr interessant, und zeigen zweierlei: In den Zeiten, in denen Hagelabwehr betrieben wurde, gab es eine deutliche Verringerung der Hagelschäden in der behandelten Hälfte im Vergleich zu der nicht behandelten Hälfte. Hingegen gab es keine bedeutenden Unterschiede zwischen den beiden Gebieten, wenn nicht geimpft wurde.

In Norddakota wird seit 1976 Hagelabwehr mit Flugzeugen betrieben. Die Gruppe um den renommierten Radarmeteorologen Paul Smith hat im Journal für angewandte Meteorologie (Paul Smith et al., J. of Applied Meteor., May 1997) eine Untersuchung veröffentlicht, in welcher langjährige Getreidehagel-Versicherungsdaten analysiert wurden. Die Auswertung belegt eindeutig und statistisch signifikant den reduzierenden Effekt auf die Hagelentwicklung durch das Impfen von Gewitterzellen in Norddakota. Ihre Analysen zeigen eine Verringerung der Hagelversicherungs-Verlustverhältnisse um 45 % im Zielbereich von Norddakota während der geimpften Periode 1976-1988. Die gleiche Analyse für das nicht geimpfte, mit Norddakota vergleichbare benachbarte Ostmontana zeigt in den langjährigen Hagelstatistiken keine Verringerung während jener Jahre.

Eine Untersuchung für ein Hagelabwehrprojekt in Alberta, Kanada (1980-1985) ergab eine Verringerung des Verlust/Risiko-Verhältnisses der Ernteversicherung in einer Größenordnung von 20%. Dies ist statistisch nicht sehr stark ausgeprägt, es ist jedoch interessant, dass das Verlust/Risiko-Verhältnis sich erhöhte, nachdem das Programm beendet wurde.

Vor vier Jahren lief in Alberta/Kanada ein anderes, vollständig von Hagelversicherungsgesellschaften finanziertes Projekt an. Eine erste vorsichtige Abschätzung der Wirksamkeit ergab bisher eine Reduktion des Verlust/Risiko-Verhältnisses um ca. 50 % für die behandelte Region gegenüber den nicht behandelten Gebieten Albertas.

5. Schlussbemerkungen

Insgesamt wird weltweit in unterschiedlichsten Regionen Hagelabwehr durch Impfung der Hagelgewitter mit Kristallisationskernen im Anfangsstadium der Zellentwicklung betrieben. Es wird dabei allgemein davon ausgegangen, dass die Behandlung der Gewitter mit zwei oder mehreren Flugzeugen eine sehr viel stärkere Hagelunterdrückung zur Folge hat als der Einsatz von lediglich einem Flugzeug. Entsprechend werden in allen neueren Hagelabwehrprojekten mit Flugzeugen immer mindestens zwei Maschinen gleichzeitig eingesetzt. In den USA stehen zur Hagelabwehr teilweise ganze Flotten von Flugzeugen bereit. Auch in den umliegenden Regionen Rosenheim in Bayern sowie Steiermark und Krems in Österreich, in denen ebenfalls Hagelabwehr betrieben wird, werden zwei oder mehr Flugzeuge eingesetzt.

Bemerkenswert ist die Tatsache, dass vor allem in den USA und Kanada mittlerweile die Hagelversicherungsgesellschaften die Hauptgeldgeber bei Hagelabwehrprojekten sind, und dass Ausgaben der öffentlichen Hand für Hagelabwehrprojekte in einigen Projekten über Einsparungen bei der Subvention von Hagelversicherungen zumindest teilweise wieder eingespart werden konnten.

Den zwei von Skeptikern der Hagelabwehr oft zitierten wissenschaftlichen Arbeiten von Höller (DLR 1993) und Federer (Abschlussbericht des Schweizer Großversuchs IV, 1986) stehen mittlerweile eine Vielzahl von wissenschaftlichen Arbeiten gegenüber, die statistisch signifikante Effekte der Hagelunterdrückung durch die Impfung von Gewitterwolken feststellen konnten. Im schweizer Hagelabwehrversuch ende der 70er Jahre wurden jeweils Silbejodid-Raketen in den Aufwindbereich des Gewitters geschossen, wobei aufgrund mangelnder Technik (Dopplerradargeräte standen zu jener Zeit noch nicht zur Verfügung) und mangelnder Kenntnis über die genaue Struktur der Gewitter mehr oder weniger wahllos in die Gewitter hineingeschossen wurde. Eine Reduktion des Hagelaufkommens wäre aus heutiger Sicht unter diesen Umständen eher überraschend. In der von der DLR durchgeführten Untersuchung werden die Radardaten über jeweils 3x3 km² gemittelt, so dass die oft sehr kleinräumigen Hagelbereiche mit Bereichen außerhalb der Gewitter gemittelt werden, was automatisch zu einer Abschwächung des beobachteten Effekts führen muss. Außerdem ist unklar und wird auch nicht näher ausgeführt, inwieweit sich die Änderung der Größenverteilung der Teilchen durch das Impfens auf die Radarreflektivität auswirkt. Stillschweigend gehen die Autoren davon aus, dass sich der Effekt des Impfens verkleinernd auf die Reflektivität auswirkt, obwohl viel mehr (wenn auch kleinere) Teilchen erzeugt werden.

6. Referenzen

Allgemein über die Wirksamkeit der Gewitterimpfung mit Silberjodid:

Krauss, T. W., 1999: Radar characteristics of seeded and non-seeded hailstorms in Alberta, Canada. Preprints: WMO, 7th Conf. on Weather Modification, Chiang Mai, Thailand.

Krauss, T. W., 1998: Radar Responses to Seeding of Hailstorms in Alberta. Preprints: Amer. Meteor. Soc., 14th Conf. on Planned and Inadvertent Weather Modification, Everett, Washington, 632-635.

Projekt in Spanien (im Bericht erwähnt):

Sanchez et.al.:15th Conference on Planned and Inadvertent Weather Modification J 2.2

Hail suppression program in Leon (Pala) from 1986 to 1999: Spatial distribution of the hail precipitation in seeding periods and periods with no seeding activities, Internetpublikation

Projekt in Frankreich (im Bericht erwähnt):

Dessens et.al.:. Hail in southwestern France. Results of a 30-year hail prevention project with silver jodid seeding from the ground. J.Appl.Meteor., 48-58.

South und North Dakota

Smith et.al. 1992. A status report on weather modification research in the Dakotas. Atmos. Res., 28, 271-298, 1992a

Smith et.al. 1997. An exploratory study of North Dakota crop-hail insurance data for evidence of seeding effects. In North Dakota. J. Appl. Meteor., 463-473, 1987.

Anhang:

Die Hagelabwehr in den Landkreisen Rems-Murr, Stuttgart, Ludwigsburg und Böblingen

1. Einleitung

Bereits seit 1980 wird im Großraum Stuttgart Hagelabwehr durch das Einbringen von Silberjodid in Gewitterwolken von Flugzeugen aus betrieben. Außer im Zeitraum zwischen 1990 und 1995, in welchem zwei Flugzeuge eingesetzt werden konnten, war dabei immer nur ein Flugzeug im Einsatz. Die Hagelabwehr wurde von Herrn Professor Müller von der Universität Hohnheim von 1980 bis 1999 meteorologisch betreut und wissenschaftlich begleitet. Nach der Emeritierung von Professor Müller im Frühjahr 1999 wurde die meteorologische Projektbetreuung an Herrn Dr. Hermann Gysi bzw. an das meteorologische Beratungs- und Überwachungsbüro Radar-Info / Südwest-Wetter übergeben. Die wissenschaftlich Betreuung und Datenauswertung musste dabei aus finanziellen Gründen sehr stark eingeschränkt werden. Mit der neuen Verantwortlichkeit sind gewisse Änderungen und Modernisierungen eingeführt worden, durch die versucht wird, die Wirksamkeit der Hagelabwehr noch weiter zu verbessern.

Eine grundsätzliche Schwierigkeit der Hagelabwehr mit Flugzeugen ist einerseits das frühzeitige Erkennen einer Hagelzellen-Entwicklung und andererseits das Auffinden der stärksten (und damit der für Hagelschäden relevantesten) Gewitterzellen im Schutzgebiet selbst und in den daran angrenzenden Gebieten, aus denen Hagelzellen ins Schutzgebiet herannahen könnten.

Die Erkennung der stärksten Hagelzellen geschieht nun automatisch mit Hilfe eines radargestützten Frühwarnsystems. Mit Hilfe der mit dem Wetterradar des Forschungszentrums Karlsruhe kontinuierlich gemessen Windprofile und Niederschlagsverteilungen im Umkreis von 120 km um den Radarstandort können die aktuellen Orte der Gewitterentwicklung frühzeitig erkannt und dem Hagelpiloten per SMS (Kurznachricht) auf das Display des Mobiltelefons übermittelt werden.

2. Das radargestützte Frühwarnsystem

2. 1 Niederschlagsmessung mit Radar

Die Niederschlagsmessung mit Radar basiert auf dem Aussenden von einzelnen Mikrowellen-Pulsen mit Wellenlängen zwischen 3 und 10 cm (5.3 cm beim Karlsruher Niederschlagsradar), die von atmosphärischen Streupartikeln wie Wassertropfen, Hagelkörnern, Schnee oder Graupel reflektiert werden.

Mittels eines Abtastprogramms (Scan) fährt die Antenne mit unterschiedlichen Neigungswinkeln kontinuierlich den Raum ab, wobei nach jeder vollen Umdrehung der Neigungswinkel vergrößert wird, so dass am Schluss ein Volumendatensatz von ineinander geschachtelten Datenkegeln (PPI) vorliegt. Aus diesem dreidimensionalen Datensatz (Rohdatensatz) können die gewünschten Größen abgeleitet, ausgewertet und dargestellt werden.

Als Messsignal wird die Reflektivität verwendet, die das Verhältnis von ausgestrahlter und von der Antenne wieder empfangener Strahlungsleistung wiedergibt. Aus der Laufzeit des Radarpulses und der Stellung der Antenne bestimmt der Radarrechner Entfernung, Richtung und Höhe eines Niederschlagsgebietes. Die Reflektivität ist ein Maß für die sich im Strahlvolumen befindenden Streuteilchen. Unter der Annahme eines vorgegebenen Tropfenspektrums (Tropfengrößenverteilung) und einer Korrekturfunktion für die Überschätzung der Reflektivität bei Hagel lassen sich daraus die Niederschlagsintensität oder andere für die Meteorologie oder Hydrologie interessante Größen berechnen.

Allgemein ist zu beachten, dass durch die Impfung von Gewitterzellen das Tropfenspektrum verändert wird. Die Änderung des Tropfenspektrums kommt dadurch zustande, dass durch die Impfung die Bildung einer großen Zahl mittelgroßer Teilchen zunimmt und gleichzeitig die Zahl der großen Teilchen abnimmt. Insgesamt kann aus der hohen Anzahl mittelgroßer Teilchen eine Radarreflektivität resultieren, die vom Wert her der Radarreflektivität eines Spektrums mit großen Hagelkörnern, dafür in viel geringerer Anzahl entspricht oder diese sogar übertrifft.

Daher kann es sein, dass die Impfwirkung in der Radarreflektivität unter Umständen nicht zum Ausdruck kommt.

2. 2 Funktionsweise der radargestützten Hagelabwehr

Das radargestützte Frühwarnsystem basiert auf der Online-Analyse des Niederschlagsgeschehens in Südwestdeutschland aus den Daten des Karlsruher Niederschlagsradars. Ausgewertet wird die alle 10 Minuten online verfügbare Niederschlagsverteilung über dem Schutzgebiet selbst sowie im außerhalb des Schutzgebiets liegenden Gebiet des herannahenden Niederschlags. Sobald die Überwachungssoftware eine sich entwickelnde Gewitterzelle entdeckt, wird automatisch eine SMS-Meldung auf das Handy des diensthabenden Piloten verschickt.