Tornado veroorzaakt schade in de omgeving van Mainz, 28-04-2023 | Tornado causes damage near Mainz (Germany), 28-04-2023

Op het volgende plaatje kunnen we de reflectiviteit van de weerradr zien, terwijl de supercel over Mainz trok: in het bijzonder de zuidelijke en westelijke delen van de stad en nabijgelegen dorpen: 16:37 UTC. Dit is ongeveer het moment dat de tornado bij Klein-Winternheim en Ebersheim in de buurt was.

Figure 1. Op de bovenste panelen van deze figuur kunnen we de klassieke radarreflectiviteit zien: er zijn maxima te zien van ongeveer 60 dBz aan de westkant van de cel (doorsnedes zijn te zien op twee verschillende verticale hoogtes, de onderste links en de bovenste rechts), in de zoogenaamde rear flank downdraft.  Oostelijk daarvan bevindt zich een gesloten circulatie: in de onderste twee panelen kunnen we de overeenkomstige dopplersnelheden op deze verticale hooogtes zien. Deze zijn berekend uit het radarsignaal en laten zien of de neerslag in de convectieve cellen naar de radar toe of van de radar af beweegt (de radar bevindt zich ongeveer 30 km naar het oosten, zoals te zien door de -20...-30...-40 km lijn, op de as onderaan). Naar de radar toe betekent dus westelijke winden en oostwaartse verplaatsing van de neerslag; ervan weg betekent oostelijke winden. Er is een dipool te zien rondom de locatie waar ik een "C" heb geplaatst (paneel rechtsonder). Ten noorden van die "C" is de wind oostelijk en ten zuiden ervan westelijk (lichtgele pijlen), met een smalle strook ertussen waar de dopplersnelheden ongeveer 0 zijn, nabij "C". Daarmee kunnen we concluderen dat er een circulatie is, met als centrum "C". Hier kan een tornado voorkomen (mits die ontstaat). Terug in het paneel links onder geeft een roze lijn aan het pad van de tornado aan (ongeveer). 
We kunnen het circulatiecentrum ook op de bovenste radarbeelden projecteren (witte pijl). Daarmee kunnen we zien dat het circulatiecentrum omgeven is door sterke echo's. Dit is een bekend patroon, dat vaak voorkomt in combinatie met een tornado. Ten westen van de echovrije regio (linksboven) vinden we de rear flank downdraft. Ten oosten van het echovrije gebied vinden we de forward flank downdraft. Als we de panelen linksboven en rechtsboven vergelijken, zien we dat het paneel rechts een volledige cirkel van groene, gele en rode echo's rondom heeft, die het minimum van de reflectiviteit omgeeft (het circulatiecentrum). Dit minimum en het circulatiecentrum bevinden zich op hetzelfde punt. Het echopatroon is een slechte indicatie: wanneer je dit ziet, dan zijn de (voorwaardelijke) kansen op grote hagel en op een tornado relatief groot (het wordt onder storm chasers "BWER" genoemd). (Bron radardata: DWD)

Klein-Winternheim - Ebersheim
De tornado trok als eerste over het dorp Klein-Winternheim, maar 7 km ten zuidwesten van Mainz. De schade was niet bijzonder intens hier (in ieder geval in vergelijking met Ebersheim), alhoewel gebouwen in het dorp getroffen zijn;  de tornado trok zuidoostwaarts en bereikte Ebersheim, dat deel uitmaakt van de gemeente Mainz zelf (alhoewel het tenminste 5 km van de andere stadsdelen af ligt). Ebersheim werd hard getroffen: een heel aantal huizen aan de zuidwestelijke rand van het dorp werd geraakt en daarbij beschadigd (figuur 2): een schuur verloor zelfs een dak. Daarnaast werden bomen omgeblazen. Alhoewel de schade zich ten opzichte van het tornadopad in de dwarsrichting over ongeveer 400 m uitstrekte, was het kerngebied van de schade nauwelijks breder dan 100 m. De windrichting vanuit waar de meeste schade werd veroorzaakt is zuidwestelijk tot westelijk. Maar er zijn ook sporen van sterke wind uit andere windrichtingen te zien (o.a. aan de hand van omgevallen bouwhekken en bomen). 
Daarnaast was er bij Ebersheim een akkerland te zien, waarover een zeil gespannen was, met vrij grote gaten erin. Dit zou zeer wel een verband kunnen hebben met de hagelstenen die voorkwamen bij de bui (de bewonders meldden ook hagel). Maar niemand zal het garanderen....

Verrassend genoeg zijn er aan de noordelijke rand van Ebersheim geen schade of andere sporen van de tornado te vinden, aan de voorzijde van de bebouwde kom. Toch laat een onderzoekje langs het spoor tussen Klein-Winternheim en Ebersheim laat zien dat er enkele bomen (recent) takken verloren zijn. Een spoor van een windmaximum kon worden gereconstrueerd richting Klein-Winterheim, maar daarbinnen geldt op de meeste plaatsen dat de schade niet sterker is dan bij een stevige (maar reguliere) winterse storm in onze regio (maximaal lage EF0-schade). Slechts een perceel in de buurt van Klein-Winternheim leek wat meer schade te hebben opgelopen (figuur 3), met bomen die beschadigd zijn door winden van waarschijnlijk een hoge EF0-impact.
Achter dat perceel begint een helling: op weg van Klein-Winternheim naar Ebersheim moest de tornado een hoogteverschil van ca. 140 naar 230 m overwinnen (figuur 4).

Ebersheim-Mommenheim
Het spoor loopt vervolgens westelijk langs Harxheim verder door Rheinhessen naar het zuidoosten. Daar moet nog een windmaximum plaats hebben gevonden, precies halverwege Ebersheim en Mommenheim. Dit windmaximum heeft net Harxheim gemist (figuren 5 en 6). Natuurlijk kan het zijn dat niet alle windmaxima die optreden sporen achteerlaten: soms ligt er Akkerland zonder obstakels langs het pad, waar sporen niet achterblijven. Het lijkt erop dat het windmaximum bij Harxheim vergelijkbaar sterk (EF1) was als in Ebersheim, maar waarschijnlijk wel over een smaller spoor (gemeten loodrecht op de lijn langs het spoor), op basis van de schade aan vegetatie daar. Dat maakt de schade daar en in Ebersheim typisch voor een statistisch vrij middelmatige tornado.

Mommenheim
In Mommenheim ondervond een collega (onderzoeksmeteorologe) de hagelbui, terwijl deze autodaken beschadigde. Dat komt overeen met aannemelijke hagelgroottes van ca. 3.0-3.5 cm  diameter. Iets van 150 m van deze locatie trof de tornado enkele huizen en beschadigde de daken daarvan licht. Daarentegen kon ik geen serieuze schade aan de vegetatie vinden (figuur 7), hoewel deze naar verwachting snel opgeruimd wordt door Duitse dorpsgemeenschappen, waardoor de schade niet goed kan worden opgenomen hier (binnen het dorp zelf). De gelimiteerde (overgebleven) schade en het missen van de tornado door de collega (die dan wel helemaal geen onderzoek naar convectie doet!) suggreert dat de tornado niet meer zo sterk kan zijn geweest en EF0 moet zijn geeworden, alhoewel in deze wijk met schade de gebouwen vrij nieuw zijn (dat maakt ze niet echt gevoelig voor schade!). Verder is het spoor van de tornado naar de zuidoostzijde van Mommenheim toe vrij lastig te reconstrueren: slechts geringe effecten zijn zichtbaar.
Tussen Mommenheim en Schwabsburg is het pad nog onzekerder: er zijn hooguit wat afgebroken takken te vinden, maar die zijn niet met zekerheid aan de tornado te relateren. Verse schade is pas weer in Schwabsburg te ontdekken. Daarom is het zeer wel denkbaar dat de tornado niet op de grond is geweest tussen Mommenheim en Schwabsburg en dat de circulatie alleen hogerop in de atmosfeer een duidelijk pad had. De kans is zeer groot dat de tornado voor enige tijd niet op de grond is geweest.

Maximale hagelgrootte?
Voor wat betreft de hagelgrootte van hagelstenen in de bui, zouden er volgens de app van de Deutsche Wetterdienst stenen van 5 cm naar beneden zijn gekomen (zo zouden waarnemers het hebben gerapporteerd). Maar die rapportages kwamen uit de dorpen langs het spoor van de cel en de hagelstenen zouden schade moeten hebben veroorzaakt, indien zulke hagelstenen voorkwamen (langs de lijn Harxheim-Bodenheiem, en wat verder zuidelijk, langs de lijn Mommenheim-Nackenheim bijvoorbeeld). Er is geen plausibele impact van zulke golfbalhagelstenen te zien, waardoor het onwaarschijnlijk is dat er hagelstenen groter dan 4 cm voorkwamen. De dorpen moeten geraakt zijn door een hagelkern met stenen van minder dan 4 cm diameter. Het zou mogelijk zijn dat zeer lokaal grotere hagelstenen zijn voorgekomen (dit kan nooit uitgesloten worden), maar er is op geen enkel punt informatie te vinden die hagel van deze grootte suggreert.

Tornado? Downburst? Of allebei?
Het is mogelijk en zelfs aannemelijk dat de schade die ontstond in Schwabsburg, bij de passage van de supercel, niet ontstond door een tornado, maar door een downburst. Maar aan de andere kant is de schade over een smalle strook van Klein-Winternheim tot Mommenheim met zekerheeid veroorzaakt door een tornado: een "rear flank downdraft", een ander windpatroon dat voorkomt aan (meestal) de zuid/westzijde van een supercel, zou niet over Klein-Winternheim zijn gtrokken (maar mogelijk over Ober-Olm, of nog wat westelijker daarvan) als zulke windstoten zouden zijn overgetrokken. Maar deze windstoten hebben geen schade veroorzaakt.
Het schadepad van Klein-Winternheiem naar Mommenheim is waarschijnlijk ononderbroken, alhoewel de windsnelheden behoorlijk gevarieerd moeten hebben. Dat betekent dat hier en daar windstoten van maximaal ca. 100 km/h moeten zijn voorgekomen langs het pad, maar twee pieken hebben duidelijk schade van EF1 veroorzaakt (135-180 km/h): aan de zuidwestzijde van Ebersheim en ongeveer 1.5 km verder naar het zuidoosten, 0.5 km van Harxheim.

Schwabsburg
Desondanks was de schade in Schwabsburg aanzienlijk. Hierop heeft de topografie binnen het dorp veel effect gehad op de windsnelheden: de hoogteverschillen rond Nierstein (waar Schwabsburg deel van uitmaakt) zijn slechts 85-185 m (100 m!), maar de vallei heeft steile wanden bij het dorp. De schade door de supercel trad met name op bij deze valleiwanden aan de westzijde van het dorp. Er zijn bomen omgevallen en afgebroken aan de beide valleizijden en onderin de vallei, al is dit het sterkste het geval aan de westzijde (veel omgevallen bomen; figuur 8). Deze schade heeft zich voorgedaan over het volledige centrale deel van het westelijke gedeelte van het dorp. Aan de zuidzijde verlaat het spoor van windschade het dorp. Als laatste is de orde op de begraafplaats verstoord door het windveld (figuur 9), waarna nog enige schade binnen een wijnveld onderscheiden zou kunnen worden. Het schadespoor is hier veel en veel smaller dan stroomopwaarts, in het dorp zelf. Het zou kunnen dat de tornado hier opgelost is, of de schade hoort hier bij een valwind die zijn kracht verloor. Verder naar het zuiden zijn geen aanwijzingen voor schade te zien. Het late bezoek (midden-Mei door de auteur) helpt niet om te bepalen of het over een oplossende tornado gaat of om valwinden. Een sterk georganiseerd schadepad is niet gevonden in met name het midden en noorden van Schwabsburg.
Het schadespoor van de supercelwinden, grotendeels veroorzaakt door de tornado, is weergegeven in figuur 10.

English version

On April 28th 2023, a supercell occurred over Western-Germany, causing substantial damage. Both the hail core and accompanying tornado affected the region between Mainz and Mannheim. The supercell tracked along a path from northwest to southeast, from near Bonn (4 pm) almost to Heilbronn (near Stuttgart; 10 pm). The peak of the cell occurred over Rheinhessen, in the region south of Mainz. As the cell moved across this region, hail was observed along the track directly south of Mainz, until it reached the Mannheim metropolitan region near Bensheim. On the western bank of the Rhine, a tornado accompanied the hail storm, which had a clear supercell signature along this part of the track. An analysis of damage along the track to the south and southwest of Mainz follows below. 

On the following picture we can see the radar reflectivity, as the storm moved over Mainz and in particular its southern and western parts and neighbouring villages: 16:37 UTC. This is approximately when the tornado reached Klein-Winternheim and Ebersheim. 

Figure 1. On the top panels of this picture, we can see the classical radar reflectivity, showing maxima of about 60 dBz on the west (two levels: the level on the left is below the one on the right), within the rear flank downdraft region. To the east thereof, there is a closed circulation: on the lower panels we can see the doppler velocities. These are calculated from the radar signal and indicate whether the precipitation in the convective cells is moving inward (towards the radar, which is to the right, about 30 km east; as indicated by -20..-30..-40 km on the lower axis of the picture = eastward) or outward (westward). We can find a dipole around the location that I have marked with "C" on the right. To the north we find easterly winds and to the south westerly winds (yellow arrows in the right picture), with a small stretch of near-zero relative velocities in between, close to "C". From this we can conclude that there is a circulation, centered around "C". This "C" is where the tornado is expected to occur (if it does). Again on the left, I have indicated the path along which this circulation center "C" has moved, which is approximately the tornado path. 
We can project the circulation center "C" also onto the top panel (white arrow). Thereby, we can see that the location of this circulation center is surrounded by strong radar echoes. This is a very familiar pattern, that one can often see when a tornado occurs. To the left (west) of the echo-free region, the rear flank downdraft is found. Towards the right (east), the forward flank downdraft is found. If we compare the right and left echoes of the top panel, we can see that the upper echo (right) has a full circle of green, yellow and red (stronger) echoes, surrounding this minimum at the location of the circulation. This minimum (blue) coincides exactly with the circulation. It is a bad indication, if one sees this specific pattern: there is a high (conditional) probability of large hail and a tornado in the supercell showing this pattern (known as "BWER" among storm chasers). (Source radar data: DWD)

Klein-Winternheim - Ebersheim
The tornado first hit the village of Klein-Winternheim, only 7 km southwest of Mainz. The damage was not particularly intense here (at least compared to Ebersheim), although structures in the village have been hit. As the tornado moved southeastward, it hit Ebersheim, which is part of the municipality of Mainz (but about 5 km south of the city limits). This area was hit harder: a considerable number of houses at the southwestern corner of Ebersheim were hit and a shed lost its roof (Figure 2). Furthermore, trees were uprooted. The damage occurred over a width of 400 m, measured across the track, although it was mostly restricted to an across-track line of a little more than 100 m. The damaging winds in the tornado have been predominantly from the southwest to west, although less substantial obstacles (e.g. construction fences) in the proximity have been found with a different orientation. Furthermore, within the track of the tornado damage, an agricultural parcel was covered by a canvas with substantial holes in it. Since observers of the supercell noted that there were hail stones of about 3 cm, it is very likely that these holes are a result of hail impacts. However, no guarantee….






Figure 2. Some of the damage in Ebersheim.
Nederlands/Dutch: een deel van de schade in Ebersheim.



Figure 3. Damage at a garden lot, along the line Klein-Winternheim-Ebersheim, about 700 m southeast of Klein-Winternheim.
Nederlands/Dutch: schade bij een perceel langs de lijn Klein-Winternheim-Ebersheim, zo'n 700 m zuidoostelijk van Klein-Winternheim.

Surprisingly, at the northern side of Ebersheim, no signs indicated that the tornado hit the built-up area there. An investigation along the track between Klein-Winternheim and Ebersheim revealed that some trees have been affected and the probable track of the wind maximum could be reconstructed. Nevertheless, the damage associated with this wind maximum resembles mostly that of an ordinary winter storm in Western-Europe as it occurs every year or two (low end EF0 or even less). Only one garden lot area near Klein-Winternheim stood out (Figure 3), where the tree damage was anomalously strong – more considerable than that of an ordinary wind storm (probably high end EF0).
Directly after the garden lot, the tornado had to travel up a slope: from 140 m to 230 m elevation, near Ebersheim (Figure 4).

Figure 4. Ordinary storm damage a few hundred meters northwest of Ebersheim.
Nederlands/Dutch: normale stormschade, een paar honderd meter noordwestelijk van Ebersheim. 

Ebersheim-Mommenheim
Following the track across Rheinhessen, west of Harxheim, another wind maximum must have occurred exactly halfway between Ebersheim and Mommenheim, missing the village of Harxheim by less than half a kilometer (Figures 5 and 6). Note that not all wind maxima might have left traces behind though, cause some sections without obstacles occur along the track. Personally, I think that the wind maximum near Harxheim has been narrower than the one in Ebersheim, based on the damage inspection. However, the intensity of the damage is somewhat comparable (probably EF1 – still an ordinary tornado).

 
Figure 5. Damage close to Harxheim, with the village itself in the background. Mainly trees have been hit, here.
Nederlands/Dutch: Schade vlakbij Harxheim, met op de achtergrond het dorp zelf. Vooral de bomen zijn door de tornado geraakt hier.

Figure 6. More details of the vegatation affected by the tornado, near Harxheim.
Nederlands/Dutch: de vegetatie bij Harxheim geraakt door de tornado, van wat dichterbij.

Mommenheim
In Mommenheim, a colleague of mine (also a meteorological researcher) noticed the hail storm (being present when it was impacting): car roofs  got damaged because of hail stones, presumably of about 3.0-3.5 cm diameter. Furthermore, 150 m away from this location, the tornado hit and damaged a few roofs. However, tree damage was seemingly limited and probably cleaned up too soon for a proper assessment (at least within the village; Figure 7). The limited damage here and unawareness of a trained meteorological researcher (not in severe weather though) suggests a slight weakening to EF0, although the structures in this neighbourhood are typically relatively new and hence not very susceptible to damage. Furthermore, on the southeastern corner of Mommenheim, it was not so clear where the tornado hit. A possible path was suggested by tree branches, but very uncertain. That also holds for the way between Mommenheim and Schwabsburg.  I have not been able to identify clear damage patterns that are definitely fresh. Hence, it would be very plausible that the tornado lifted from the surface for a bit.


Figure 7. Tree damage immediately before the tornado reached Mommenheim, at the entrance of the village.
Nederlands/Dutch: afgewaaide takken juist voor de tornado Mommenheim binnentrad.

Maximum hail size?
Regarding the hail, users of the German Weather Service's app reported hail stones of 5 cm at some point, which would then have hit villages in the path of the core of the cell (across the line Harxheim-Bodenheim, or slightly further south, across the line Mommenheim-Nackenheim). No plausible traces of the impact of golf ball size hail stones have been identified. It is very likely that the maximum hail size was smaller than 4 cm, in particular in the villages that have been hit. Very local exceptions that left no traces can never be ruled out, but no information points at such large hail stones at this point.  

Tornado? Downburst? Or both?
It would even be plausible that the damage in Schwabsburg was not caused by the tornado, but by impact of downburst. On the other hand, the narrow track of damage from Klein-Winternheim to Mommenheim is undoubtedly caused by a tornado. It would be implausible that a damage path from Klein-Winternheim to Ebersheim would not be caused by a tornado - a potential rear flank downdraft, another feature that could cause wind damage on the western side of this supercell would have hit the area west of Klein-Winterheim (possibly Ober-Olm, or even further west) if it had occurred (and caused the damage). This type of wind pattern didn't cause damage. 
The damage path from Klein-Winternheim to Mommenheim is likely continuous, although with varying intensity. That means that ordinary windstorm gusts of about 100 km/h probably occurred all along this line, but two EF1 peaks (gusts in the range of roughly 135-180 km/h, defining the EF-1 full range) definitely occurred on the southwestern corner of Mainz-Ebersheim and about 1.5 km to the southeast, 0.5 km southwest of Harxheim. 



Figure 8. Damage in the middle of Schwabsburg
Nederlands/Dutch: schade middenin Schwabsburg

 
Figure 9. Damage to vineyards and the cemetery at the end of the damage track, in Schwabsburg.
Nederlands/Dutch: schade aan de wijnranken en de begraafplaats, aan het einde van het schadespoor, in Schwabsburg

Schwabsburg
However, in Schwabsburg considerable damage occurred. This might partially an effect of topography, because although the elevation differences around this neighbourhood of Nierstein are only about 100 m (85-185 m), the valley gets very steep in this village. The main damage occurred along the slopes of the western part. Trees have been uprooted or broken here, locally a considerable number of them (Figure 8). This happened pretty much in the central part of the western side of the village, which has elevation differences of maybe 20-30 m and considerable slopes. Nevertheless, trees were also hit in the valley. In the end, on the southern side, the tornado left the village. Last hitting the cemetery, the most considerable vineyard damage along the track could be discerned. However, the damage path seemed a lot narrower than in the central part of the western side of the village. The tornado might have dissipated here (Figure 9), as inspections further south in the along-track direction did not reveal any interesting patterns that are suspected to relate to the tornado. It is also possible that the heavy winds did not hit Schwabsburg in the form of a tornado: it was hard to discern organised patterns in the damage, although the steep topography and late visit (middle of May by the author) may not have helped either. 
Figure 10 summarises the track of the wind maximum.



Figure 10. Track of the wind maximum as reconstructed based on the damage inspection. The background picture consists of data obtained through Google Earth (the red track is reconstructed by the author). 
Nederlands/Dutch: spoor van het windmaximum, zoals gereconstrueerd op basis van schade-inspectie (in het rood; achtergrondata van Google Earth).

 With special thanks to
- Bram van 't Veen, for providing Doppler radar imagery
- Marcel Kunz
- my colleague
- The authors of a tornado report (in German), available at https://www.tornadomap.org/post/ebersheim23/
- Open data from national weather services (DWD, KNMI)

Author: Edward Groot