CAPE (engl. Convective Available Potential Energy) ist die maximale potentielle Energie, die einem Luftpaket für die Konvektion zur Verfügung steht, beziehungsweise bei Einsetzen der Konvektion in kinetische Energie umgewandelt werden kann. Unter CAPE versteht man somit zugleich die Auftriebsenergie [in J/kg] eines Luftpaketes. Diese Auftriebsenergie erhält man durch die Integration der Differenz der virtuellen Temperatur zwischen dem aufsteigenden Luftpaket (im thermodynamischen Diagrammpapier der Verlauf der Feuchtadiabate, ausgehend vom Niveau der freien Konvektion bzw. des Hebungskondensationsniveaus bis zum Gleichgewichtsniveau) und der Umgebungsluft (Temperaturverlauf des Radiosondenaufstieges). Dabei wird die CAPE für mehrere Druckflächen berechnet und aufsummiert.

Die virtuelle Temperatur findet bei der Feuchtkonvektion daher Verwendung, um die Luftfeuchtigkeit und somit die Variabilität der Dichte und des Freiwerdens der latenten Wärme des aufsteigenden Luftpaketes hinreichend zu berücksichtigen. Bei Trockenkonvektion (Blauthermik) ist das Integrieren der tatsächlichen Lufttemperatur völlig ausreichend.

Die CAPE ist eine sehr empfindliche Größe und deren numerische Erfassung sehr mit Vorsicht zu genießen. So schwächt sich der Auftrieb ab, wenn im Randbereich der gesättigten Wolkenluft durch Turbulenzen untersättigte Umgebungsluft in die konvektive Wolke geführt wird (Entrainment). Gleichzeitig wird der Auftrieb durch einen hohen Flüssigwassergehalt abgeschwächt. Andererseits führt das Gefrieren von Flüssigwasser zu einer Verstärkung der Auftriebsenergie. Diese Faktoren kann die Numerik auch in Anbetracht der vereinfachten Formel nicht berücksichtigen und muss daher vom Forecaster selbst beachtet werden.

Operationell finden in der Meteorologie, besonders aber in der Wettervorhersage, 3 CAPE-Arten Anwendung:

Die SB-CAPE (Surface-Based CAPE) ist die von der Berechnung her einfachste, gleichzeitig aber auch sensibelste CAPE. Als Input dient die bodennahe Luftfeuchte und Lufttemperatur des aufsteigenden Luftpaketes bis zum Gleichgewichtsniveau. Die Sensibilität beruht darauf, dass an Strahlungstagen durch Überadiabasie die CAPE über- und in Strahlungsnächten mit Inversionsbildung unterschätzt wird. Einer eventuellen „elevated convenction“ wird dabei dann weniger Achtung geschenkt.

Die häufigste CAPE ist die ML-CAPE (Mixed-Layer CAPE). Diese erfolgt durch die Berechnung des mittleren Temperatur- und Feuchteverlaufs in der unteren Troposphäre. In der Regel werden die untersten 100 hPa verwendet. Das Global Forecast System rechnet für die untersten 180 hPa vom Erdboden aus. Die Radiosondenaufstiege der University of Wyoming verwenden die gemittelten Daten der unteren 500 m vom Boden ausgehend. Durch diese Mittelung lassen sich Überadiabasie und Inversionen berücksichtigen. Da für die Berechnung der ML-CAPE ein höheres Datenvolumen notwendig ist, ist eine Kalkulation auf Grundlage eines aktuellen Radiosondenaufstieges zuverlässiger als die rein numerischen Outputs.

Die MU-CAPE (Most Unstable CAPE) ist die höchste CAPE und wird vom Niveau der freien Konvektion in einer 300 hPa mächtigen Schicht integriert, wenn das Niveau der freien Konvektion bekannt ist. Alternativ verwendet man eine 300 hPa mächteige Schicht vom Boden ausgehend. MU-CAPE ist besonders hilfreich, um das Potential für abgehobene Konvektionen (elevated convection) zu bestimmen.

CAPE allein ist kein Indiz für das tatsächliche Auftreten von Konvektion bzw. Gewittern. Sie zeigt lediglich die Labilitätsfläche bzw. Labiliätsenergie, aus der sich die Auftriebsenergie bzw. Updraftstärke (maximale Aufwindgeschwindigkeit in m/s mit der Wurzel aus 2mal CAPE) bestimmen lässt. Beobachtungen von Welt der Synoptik haben gezeigt, dass bereits bei einem ML-CAPE zwischen 200 und 300 J/kg Gewitter auftreten. In polarer Höhenkaltluft wurden Gewitterentwicklungen auch schon bei einem ML-CAPE von 100 bis 200 J/kg dokumentiert. Gewitter sind aber auch bei einem noch geringeren ML-CAPE Werten möglich.

Die Gewitterintensität in Abhängigkeit des CAPE´s darzustellen, gestaltet sich als recht schwierig. Denn bereits bei CAPE-Werten von unter 1000 J/kg können zum Beispiel schwere und organisierte Gewitterzellen mit großkörnigem Hagel zwischen 5 und 7 cm entstehen. So kam es in Berlin am 19. August 2000 zu einem derartigen Hagelunwetter. Der Radiosondenaufstieg von 20 Uhr MESZ vom nächstliegenden Observatorium Lindenberg zeigt gerade einmal einen ML-CAPE von etwa 400 J/kg. Das PPW lag bei etwa 35 mm. Auch das wohl bekannteste Hagelunwetter in Deutschland, das Münchener Hagelunwetter vom 12. Juli 1984, entwickelte sich bei einer "geringen“ ML-CAPE als heftiges Unwetter. Der Radiosondenaufstieg von München-Oberschleißheim vom 12. Juli 1984 um 14 Uhr MESZ zeigte ebenfalls eine ML-CAPE, der bis 400 J/kg reichte. Das PPW erreichte Werte von 34,5 mm. Letztendlich führte aber die starke Windscherung in den unteren 6 km mit 50 kn (25 m/s) zu der gut organisierten Gewitterzelle. Gleiches galt bei dem Hagelunwetter in Berlin, wo eine Scherung von sogar 55 kn registriert wurde. Es gibt also einen kausalen Zusammenhang zwischen geringer ML-CAPE sowie starker Windscherung und starker Gewitterintensitäten.

Ob großräumig CAPE für Gewitter unbedingt vorhanden sein muss, ist eine schwierige Frage. Im Falle der CAPE setzten aufwärts gerichtete Vertikalbewegungen aufgrund des thermischen Unterschiedes zwischen dem aufsteigendem Luftpaketen und der Umgebungsluft ein. Dynamische Unterstützung ist in diesem Falle hilfreich, aber nicht notwendig. Eine markante Kaltfront oder aber ein intensiver Kurzwellentrog führt durchaus auch bei Nichtvorhandensein von CAPE zu markanten Hebungsprozessen, auch in einer trocken- oder feuchtstabilen vertikalen Schichtung. So werden zum Beispiel Inversionswetterlagen auf diese Weise eliminiert.

Spätestens, wenn die aufsteigende Luft durch adiabatische Abkühlung ihren Taupunkt erreicht und Sättigung eintritt, kühlt das Luftpaket bei einer feuchtlabilen Schichtung mit zunehmender Höhe langsamer ab als die Umgebungsluft, sodass Auftriebsenergie freigesetzt wird. Wann immer also konvektive Wolken entstehen, muss zwangsläufig CAPE (mitunter auch nur in einer gewissen Druckfläche) vorhanden sein. Im Umkehrschluss ist Feuchtkonvektion ohne CAPE nicht möglich.

©  Welt der Synoptik | Autor: Denny Karran