Hurrikane, die sich aus mysteriösen Gründen rasch verstärken, stellen für die Gefährdeten eine besonders beängstigende Bedrohung dar. Prognostiker kämpfen seit vielen Jahren darum, zu verstehen, warum ein scheinbar alltägliches tropisches Tiefdruckgebiet oder ein tropischer Sturm manchmal zu einem großen Hurrikan wird, der katastrophale Winde mit sich bringt und eine möglicherweise tödliche Wasserwelle in Richtung Küste treibt.
Jetzt haben Wissenschaftler etwas Licht ins Dunkel gebracht, warum diese Prognoseherausforderung so schwer zu bewältigen war: Es gibt mehr als einen Mechanismus, der eine schnelle Intensivierung verursacht. Neue Forschungen von Wissenschaftlern des National Center for Atmospheric Research (NCAR) der US National Science Foundation (NSF) nutzen die neuesten Computermodellierungstechniken, um zwei völlig unterschiedliche Modi der schnellen Intensivierung zu identifizieren. Die Ergebnisse können zu einem besseren Verständnis und einer besseren Vorhersage dieser gefährlichen Ereignisse führen.
Der neue Studie erschien in der Monatlicher Wetterrückblick. Es wurde gemeinsam von den NCAR-Wissenschaftlern Rosimar Rios-Berrios und George Bryan verfasst.
„Der Versuch, den heiligen Gral hinter der schnellen Intensivierung zu finden, ist der falsche Ansatz, denn es gibt nicht nur den einen heiligen Gral“, sagte NCAR-Wissenschaftler Falko Judt, Hauptautor der neuen Studie. „Es gibt mindestens zwei verschiedene Arten oder Varianten der schnellen Intensivierung, und jede davon hat unterschiedliche Bedingungen, die erfüllt sein müssen, damit sich der Sturm so schnell verstärkt.“
Einer der von Judt und seinen Co-Autoren diskutierten Modi tritt auf, wenn sich ein Hurrikan symmetrisch verstärkt, angetrieben durch günstige Umweltbedingungen wie warmes Oberflächenwasser und geringe Windscherung. Diese Art der abrupten Verstärkung wird mit einigen der zerstörerischsten Stürme der Geschichte in Verbindung gebracht, beispielsweise den Hurrikanen Andrew, Katrina und Maria. Meteorologen waren diese Woche verblüfft, als die Winde des Hurrikans Otis alle Vorhersagen übertrafen und in nur 24 Stunden mit einer Geschwindigkeit von 110 Meilen pro Stunde explodierten und die Westküste Mexikos mit Stärke der Kategorie 5 trafen.
Judt und seine Co-Autoren identifizierten auch einen zweiten Modus der schnellen Intensivierung, der bisher übersehen wurde, weil er nicht dazu führt, dass Spitzenwinde solch zerstörerische Ausmaße erreichen. Bei diesem Modus kann die Verstärkung mit größeren Gewitterausbrüchen weit entfernt vom Sturmzentrum verbunden sein. Diese Ausbrüche lösen eine Neukonfiguration der Zirkulation des Zyklons aus, wodurch dieser sich schnell intensiviert und innerhalb weniger Stunden Intensität der Kategorie 1 oder 2 erreicht.
Dieser zweite Modus ist unerwarteter, da er typischerweise bei ungünstigen Bedingungen auftritt, beispielsweise bei gegenläufigen Höhenwinden, die den Sturm abscheren, indem sie die Oberseite in eine andere Richtung als die Unterseite blasen.
„Diese Stürme sind nicht so einprägsam und nicht so bedeutsam“, sagte Judt. „Prognostiker müssen sich jedoch darüber im Klaren sein, dass selbst ein Sturm, der stark geschert und asymmetrisch ist, eine schnelle Intensivierung erfahren kann.“
Eine zufällige Entdeckung
Eine schnelle Intensivierung tritt auf, wenn die Winde eines tropischen Wirbelsturms innerhalb von 24 Stunden um 30 Knoten (etwa 35 Meilen pro Stunde) zunehmen. Judt stieß bei der Arbeit an einem unabhängigen Projekt auf die beiden Modi der schnellen Intensivierung.
Die Entdeckung erfolgte, nachdem Judt mithilfe des NCAR-basierten Model for Prediction Across Scales (MPAS) eine sehr hochauflösende 40-Tage-Computersimulation der globalen Atmosphäre erstellt hatte. Diese im NCAR-Wyoming Supercomputing Center durchgeführte Simulation wurde für ein internationales Projekt entwickelt, das die Ergebnisse führender Atmosphärenmodelle vergleicht, die aufgrund immer leistungsfähigerer Supercomputer eine beispiellose Detailgenauigkeit erreicht haben.
Nachdem Judt das Modell erstellt hatte, war er neugierig darauf, Stürme in der Simulation zu untersuchen, die sich schnell verstärkten. Als er sich eine Reihe von Fällen in den Meeresbecken der Welt ansah, stellte er fest, dass die rasche Intensivierung auf zwei verschiedene Arten erfolgte. Dies war bisher in Modellen nicht erkennbar, unter anderem weil frühere Simulationen nur einzelne Regionen erfassten, anstatt es den Wissenschaftlern zu ermöglichen, ein Spektrum von Hurrikanen und Taifunen über die Weltmeere hinweg zu verfolgen.
Judt und seine Co-Autoren durchforsteten dann tatsächliche Beobachtungen tropischer Wirbelstürme und fanden eine Reihe realer Beispiele für beide Arten der schnellen Intensivierung.
„Es war eine Art Zufallsfund“, sagte Judt. „Schon als ich mir die Stürme in der Simulation ansah und Plots erstellte, wurde mir klar, dass Stürme, die sich schnell verstärken, in zwei verschiedene Lager eingeteilt werden können. Das eine ist der kanonische Modus, bei dem es einen tropischen Sturm gibt, wenn man zu Bett geht, und wenn man aufwacht, ist es ein tropischer Sturm.“ Kategorie 4. Aber dann gibt es noch einen anderen Modus, der von einem tropischen Sturm zu einer Kategorie 1 oder 2 übergeht, und er entspricht der Definition einer schnellen Intensivierung. Da niemand diese Stürme auf seinem Radar hat, blieb dieser Modus der schnellen Intensivierung unentdeckt, bis ich durchkam die Simulation.“
Meteorologen wissen seit langem, dass günstige Umweltbedingungen, einschließlich sehr warmer Oberflächengewässer und minimaler Windscherung, eine schnelle Intensivierung bewirken und einen Zyklon mit anhaltenden Windgeschwindigkeiten von 130 Meilen pro Stunde oder mehr auf Stärke der Kategorie 4 oder 5 bringen können. In ihrer neuen Arbeit bezeichnen Judt und seine Co-Autoren diese Art der schnellen Intensivierung als Marathon, da sich der Sturm symmetrisch und in moderatem Tempo weiter verstärkt, während sich der Primärwirbel stetig verstärkt.
Judt beschrieb Hurrikan Otis als einen schnellen Marathon, da er sich symmetrisch, aber ungewöhnlich schnell verstärkte, was durch einen Anstieg der Windgeschwindigkeit um 80 Meilen pro Stunde während eines Zeitraums von 12 Stunden gekennzeichnet war.
Das Studienteam bezeichnete die andere Art der schnellen Intensivierung als Sprint, da die Intensivierung extrem schnell erfolgt, aber im Allgemeinen nicht so lange anhält, da Stürme ihre Stärke bei der Stärke 1 oder 2 erreichen und anhaltende Windgeschwindigkeiten von 110 Meilen pro Stunde oder weniger auftreten. In solchen Fällen führen explosive Gewitterausbrüche zu einer Neuordnung des Zyklons und der Entstehung eines neuen Zentrums, wodurch der Sturm selbst unter widrigen Umweltbedingungen stärker werden kann.
Das Papier kommt zu dem Schluss, dass die beiden Modi gegensätzliche Enden eines Spektrums darstellen könnten, wobei viele Fälle schneller Intensivierung irgendwo dazwischen liegen. Beispielsweise kann eine schnelle Intensivierung mit einer Kette diskreter Ereignisse beginnen, etwa einem Gewitterausbruch, der für den Sprintmodus charakteristisch ist, dann aber in einen symmetrischeren Intensivierungsmodus übergehen, der für den Marathonmodus charakteristisch ist.
Eine Frage für zukünftige Forschung sei, warum Gewitterausbrüche dazu führen können, dass sich etwa 10 % der Stürme in einer ungünstigen Umgebung schnell verstärken, während die anderen 90 % dies nicht tun, sagte Judt.
„Es könnte einen Mechanismus geben, den wir noch nicht entdeckt haben und der es uns ermöglichen würde, die 10 von der 90 zu unterscheiden“, sagte er. „Meine Arbeitshypothese ist, dass es zufällig ist, aber es ist wichtig für Prognostiker, sich darüber im Klaren zu sein, dass eine schnelle Intensivierung auch in einem ungünstigen Umfeld ein typischer Prozess ist.“
Mehr Informationen:
Falko Judt et al., Marathon versus Sprint: Zwei Modi der schnellen Intensivierung tropischer Wirbelstürme in einer globalen konvektionserlaubenden Simulation, Monatlicher Wetterrückblick (2023). DOI: 10.1175/MWR-D-23-0038.1