Wissenschaftler entwickelt neue Gleichung, um das Verhalten atmosphärischer Flüsse besser vorherzusagen

Wenn sintflutartige Regenfälle und starke Winde dicht besiedelte Küstenregionen treffen, können ganze Städte zerstört werden – aber Regierungen und Einwohner können bei ausreichender Vorwarnung Vorkehrungen treffen.

Viele dieser Küstenüberschwemmungen werden durch atmosphärische Flüsse verursacht – Regionen mit konzentriertem Wasserdampf, der von starken Winden mitgerissen wird und manchmal auch „Flüsse am Himmel“ genannt wird. Meteorologen überwachen sie, aber die Möglichkeit, anhand der zugrunde liegenden Physik genau vorherzusagen, wie sich ein atmosphärischer Fluss verhalten könnte, würde genauere Vorhersagen ermöglichen.

In einem Papier veröffentlicht In Naturkommunikation, Der leitende Autor Da Yang, Assistenzprofessor für Geophysik an der University of Chicago, und der Erstautor Hing Ong, ein Postdoktorand, der früher in Yangs Gruppe arbeitete und jetzt am Argonne National Laboratory arbeitet, beschreiben eine neue Gleichung, die sie entwickelt haben, um die Prozesse, die die Atmosphäre antreiben, besser zu verstehen Flüsse.

Sie hoffen, dass das neue Rahmenwerk die Genauigkeit atmosphärischer Flussvorhersagen verbessern wird, insbesondere bei extremen Wetterereignissen und im Kontext eines sich ändernden Klimas. Dieses verbesserte Verständnis auf Prozessebene unterstützt auch eine klarere Kommunikation der Ergebnisse extremer Wettervorhersagen.

Ein globales Phänomen

Atmosphärische Flüsse sind lange, schmale Regionen mit konzentriertem Wasserdampf, begleitet von starken Winden, die Feuchtigkeit aus den Tropen zu den Polen transportieren. Sie können bis zu 15-mal so viel Wasser transportieren, wie durch die Mündung des Mississippi fließt, und sie können starken Regen, Schnee und starke Winde mit sich bringen. Bis zur Hälfte des jährlichen Niederschlags in Kalifornien wird durch atmosphärische Flüsse gebracht.

Während die Westküste Nordamerikas besonders anfällig für extreme Niederschläge ist, die von atmosphärischen Flüssen getragen werden – die aufgrund ihres Ursprungs rund um Hawaii den Spitznamen „Ananas-Express“ tragen – kommen diese Flüsse am Himmel weltweit vor.

Im Durchschnitt gibt es an jedem Punkt fünf in den nördlichen mittleren Breiten und fünf in den südlichen mittleren Breiten, jeweils von Westen nach Osten. Sie sind nicht alle stark genug, um schädliche Überschwemmungen und Erdrutsche zu verursachen. Schwächere Systeme können von Vorteil sein, da sie die Stauseen wieder auffüllen und Dürren lindern.

Atmosphärische Flüsse sind ein wesentliches Element des globalen Klimas, und ihr Verständnis wird dazu beitragen, die Fähigkeit zur Wettervorhersage, zum Management von Wasserressourcen und zur Vorhersage von Überschwemmungsrisiken zu verbessern. Ein Großteil der bestehenden Forschung zu atmosphärischen Flüssen umfasst deren Charakterisierung: Überwachung, Verfolgung und Bewertung, um ihren Gefahrengrad zu ermitteln. Bisher fehlte jedoch eine Möglichkeit, die Entwicklung eines atmosphärischen Flusses zu bestimmen.

Atmosphärische Flüsse werden mithilfe einer Metrik namens „Integrated Vapour Transport“ (IVT) überwacht, die die Menge und Geschwindigkeit des Wasserdampfs beschreibt, der sich durch die Atmosphäre bewegt.

Diese Metrik reicht aus, um Verfolgungs- und Überwachungsalgorithmen zu entwickeln, aber um grundlegende Fragen zur Entwicklung atmosphärischer Flüsse zu beantworten, benötigen Wissenschaftler eine maßgebende Gleichung. Dies ist ein mathematischer Ausdruck, der beschreibt, wie sich ein System aufgrund bestimmter Regeln oder Prinzipien verändert.

Eine maßgebliche Gleichung würde es Wissenschaftlern ermöglichen, umfassende Fragen zu stellen, sagte Yang, wie zum Beispiel: „Was liefert Energie, um atmosphärische Flüsse zu bilden und aufrechtzuerhalten? Und warum bewegen sie sich nach Osten?“

Um den Rahmen zur Beantwortung dieser Fragen abzuleiten, musste das Team eine Größe entwickeln, die die Wasserdampfmenge und die Energie starker Winde in einer Variablen kombiniert: der integrierten kinetischen Dampfenergie (IVKE).

Die neue Gleichung ist bei der Verfolgung und Überwachung atmosphärischer Flüsse genauso effektiv und effizient wie IVT. Aber es hat „den zusätzlichen Vorteil, dass es sich um eine intuitive, auf ersten Prinzipien basierende Gleichung handelt“, sagte Yang, „die uns in Echtzeit sagen kann, was einen atmosphärischen Fluss stärker macht, was ihn zerstreut und was ihn dazu bringt, sich nach Osten auszubreiten.“ „

Der Durchbruch erweitert die statistische Analyse atmosphärischer Flüsse um ein Verständnis der physikalischen Prozessebene. Der Arbeitstitel der Arbeit, die dieses vielseitige Framework beschreibt, war „One Stone, Two Birds“.

Mit diesem neuen Rahmen stellte Yangs Team fest, dass die Stärke atmosphärischer Flüsse hauptsächlich dadurch zunimmt, dass potenzielle Energie in kinetische Energie umgewandelt wird. Die Flüsse werden aufgrund von Kondensation und Turbulenzen schwächer und wandern aufgrund der horizontalen Bewegung von kinetischer Energie und Feuchtigkeit durch Luftströmungen nach Osten.

Wetter und ein sich änderndes Klima

Die National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), das Hauptzentrum für Wettervorhersagen, erforscht, überwacht und veröffentlicht Informationen über atmosphärische Flüsse. Yang schlug vor, dass das neue Framework seines Teams die IVT-basierten Analysen der NOAA ergänzt und Echtzeitdiagnosen bietet, die eine stärkere physikalische Grundlage für Prognoseergebnisse bieten.

Dieser Ansatz erhöht das Vertrauen in Vorhersagen, insbesondere bei Extremereignissen, und hilft bei der Diagnose der Modellleistung – was letztendlich zu Verbesserungen bei Prognosemodellen führt.

Die Rolle des Klimawandels bei der Entwicklung atmosphärischer Flüsse ist ebenfalls ein interessantes Thema. „Wir wissen, dass mit dem Klimawandel die Menge an Wasserdampf zunimmt“, sagte Yang. „Unter der Annahme, dass sich die Zirkulation nicht wesentlich ändert, kann man erwarten, dass der einzelne atmosphärische Fluss stärker wird.“

Die Studie hat diesen Zusammenhang nicht untersucht, aber es wird einer der nächsten Schritte des Teams sein. Eine neue Postdoktorandin in Yangs Labor, Aidi Zhang, wird das neue Framework nutzen, um mithilfe der kinetischen Dampfenergie zu untersuchen, wie sich der Klimawandel auf atmosphärische Flüsse auswirkt.

Diese Forschung ist für Yang ein neues Gebiet, wenn auch nicht so weit von seiner Fachkompetenz entfernt, die sich auf konvektive Stürme in der tropischen Atmosphäre konzentriert. Bevor Yang zu UChicago kam, lebte er 15 Jahre in Kalifornien, was sein Interesse an atmosphärischen Flüssen weckte. Und „jetzt, wo ich in höheren Breiten lebe“, sagte er, „sollte ich diesen Stürmen in den mittleren Breiten mehr Aufmerksamkeit schenken.“